防弹与防刺纺织材料研究进展

饶 崛

（武汉纺织大学 传媒学院，武汉430073）

防弹与防刺纺织材料研究进展

饶 崛

（武汉纺织大学 传媒学院，武汉430073）

介绍了防弹衣的防弹机理，论述了防弹与防刺材料芳纶纤维和超高强聚乙烯纤维的性能以及目前防弹与防刺织物的织造形式，指出了目前防弹与防刺材料存在的问题和改进的方向．

防弹机理；芳纶；超高强聚乙烯

防弹衣作为一种重要的防护装备，从古代的钢盔铠甲到现代用高分子材料制作的防弹衣，其形式一直在改变．而随着科技的进步，防弹衣材料也在不断地改变，一些高性能纤维被广泛应用于防弹衣的制作中．目前，工业化大规模生产的高性能纤维主要有芳纶纤维、超高强聚乙烯纤维和碳纤维．芳纶、超高强聚乙烯纤维及聚对苯撑2，6－苯并恶唑（PBO）纤维是国际上较为流行的防弹、防刺服材料．芳纶防弹、防刺织物所用的芳纶是对位芳香族聚酰胺纤维，它最早由杜邦公司生产．

1 防弹衣的防弹机理

防弹衣的品种和型号较多，按材料来分有软体、硬体、软硬复合体3种．软体防弹衣是利用高性能的纺织材料织造的；硬体防弹衣则是利用特种钢板、超高强的铝合金等金属材料或者氧化铝等非金属材料制作的；而软硬复合的防弹衣则是以软质材料为内衬，以硬质材料（包括非金属的复合材料，如树脂）作面板和增强材料所制作的，这类防弹衣的柔软性介于软体和硬体之间，是一种复合型的防弹衣．

从根本上说，防弹衣的防弹机理有两方面：一是将弹体或者使弹片破裂后形成的碎片弹开；二是将弹头接受后通过防弹材料来消释其功能［1］．美国研制出的首批防弹衣是将钢板搭接在衣服内，这种防弹衣以及后来类似的硬体防弹衣都是通过钢板等硬质材料把弹头和弹片弹开，或者使子弹在撞击的过程中破裂，从而消耗分解其能量以达到防弹的目的．以高性能纺织纤维为主要防弹材料的软体防弹衣，其防弹机理一般属于后者，即利用以高强纤维为原料的织物来“抓住”子弹或弹片，从而达到防弹的目的．有人这样形容该防弹机理，即把防弹材料想象成足球门网，无论球触击到网的哪一个位置，它的冲力都会被整个网所吸收［2］．

2 防弹与防刺材料

高性能防弹、防刺衣最关键的因素是防弹材料．防弹材料的特点是其性能与质量之比较高，并且挠曲性能好，能够有效地避免弹丸破片的二次杀伤，同时还具有良好的热、电绝缘性能和隐身的特性．早期用于制备防弹装甲的纤维主要有尼龙纤维和玻璃纤维，后来又出现了石墨纤维、碳纤维和芳纶纤维，近年来又开发出了超高强聚乙烯纤维．

2．1 尼龙和玻璃纤维

20世纪50年代，美国首先利用尼龙这类软质合成材料来制作防弹衣．尼龙具有强力高、耐热和耐疲劳等优点；其缺点则是因弹性模数低而使纤维伸长，不耐光、易氧化、表面光滑，不利于与其他聚合物黏合．由于尼龙纤维抗张强度的限制，要使尼龙防弹衣具有好的防护效果，其质量需在4．5 kg以上．但是据有关专家试验和分析［3］，士兵难以忍受这种尼龙防弹衣所带来的负重及闷热感，穿上这么重的防弹衣，士兵的作战能力会降低30%以上．

早在二战期间，玻璃纤维作为一种较廉价的防弹装甲材料，成为第一代复合装甲材料．有关实验表明，对于同一口径、同一种类的弹丸，玻璃钢复合装甲的抗弹能力可达到钢装甲的3倍［4］．由于这类纤维很脆，在加工过程中很容易脆断，因而其长径比会急剧下降，补强效果也就较差，再加上其表面缺乏反应性，因此很难与基质表面进行良好黏合．

2．2 芳纶纤维

芳纶纤维是芳香聚酰胺纤维的简称，分为2大类：间位芳纶（芳纶1313，即聚间苯二甲酰间苯二胺）和对位芳纶（芳纶1414，即聚对苯二甲酰对苯二胺，简称PPTA）．它是一种高性能纤维，具有高的强力、好的尺寸稳定性、耐热性和耐腐蚀性等特性．下面以PPTA为例，介绍芳纶纤维的性能．

2．2．1 基本特性

PPTA具有优良的防弹和防刺性能．它是一种高强度、高模量、低密度的有机纤维，它的强度比碳纤维高，质量比玻璃纤维、碳纤维都轻，热膨胀系数低，抗疲劳性好［5］．

（1）纤维实际强度约为22 CN／dtex，具有很好的抗张性能［5］．

（2）纤维模量为30～45 GPa．

（3）密度为1．43 g／cm3．

（4）尺寸稳定性在有机纤维中最好，但耐弯曲压缩性能较差．

（5）纤维的玻璃化转变温度约为345℃，在高温下难熔，收缩亦很小．将其在160℃热空气中处理400 h后，纤维强度基本不变；它的熔点为425℃，在500℃以上碳化速率明显加快；纤维虽可燃烧，但离开火源后自熄．

（6）对普通有机溶剂、盐类溶液等有很好的耐化学药品性，但耐强酸、强碱性较差．

（7）对紫外线比较敏感，不宜将其直接暴露在日光下使用．

（8）纤维是一种外观呈黄色的纤维，不易染色．（9）回潮率4%左右．

2．2．2 其他性能

由于芳纶是利用各向异性液晶纺丝制成的纤维，虽然其强度和模量较高，但是在与纤维轴垂直方向上的性能，如压缩强度、疲劳特性等都比较差．芳纶纤维的压缩强度较小，只有玻璃纤维的10%左右［6］．这主要是因为芳纶纤维在二维和三维结构方向上缺少物理位势与化学位势间的联系，分子之间很容易产生滑移，这是今后应该改进的．另外，芳纶的着色也是目前全球研究的课题．

2．3 超高强聚乙烯纤维

2．3．1 基本特性

在目前所有合成纤维中，超高强聚乙烯纤维的强度最高，相当于优质钢丝的15倍，比芳纶纤维高35%；密度仅为0．97 g／cm3，是芳纶纤维的2／3、铝的1／3、钢的1／8，是已经研究开发成功的高性能纤维中最轻的一种［7］；模量较高，为450 CN／dtex，声速传播较快，从而使它在抵挡子弹冲击时的能量吸收和应力波传递方面都优于其他纤维．

超高强聚乙烯纤维密度较低，因而穿着由它制成的防弹衣极为轻便．它密度低的优点突出表现在自由断裂长度上，其自由断裂长度约为330 km．超高强聚乙烯纤维在所有高性能纤维中具有最高的抗冲击强度，这是因为超高强聚乙烯纤维的玻璃化温度较低．据相关文献报道，超高强聚乙烯纤维复合材料的抗冲击强度是玻璃纤维复合材料的2倍，是芳纶和碳纤维复合材料的3倍［8］．而其高冲击能量吸收性能又体现在高的防弹、防切割和抗冲击性能上．

2．3．2 其他性能

由于超高强聚乙烯纤维分子的高度定向、结晶和化学惰性，使其具有良好的疏水性、耐化学性、抗紫外光性和耐磨性，同时具有较好的耐水、耐湿、耐海水和抗霉性．它的耐疲劳性好，较柔软，具有较长的挠曲寿命．

超高强聚乙烯纤维最大的缺点就是其耐热性比其他纤维差，熔点为142～159℃，比芳纶的熔点低了近300℃．超高强聚乙烯纤维的强度和模量随温度的升高而下降，子弹在打击聚乙烯织物后可清楚地看到织物有烧过的痕迹．这说明不仅是大的动能击破了防弹衣，同时还有大的热能烧坏了防弹衣，从而破坏其防弹能力．因此，需要通过相应的手段来改善其耐热性能．

超高强聚乙烯纤维表面光滑，纤维大分子上没有极性基团，导致纤维与基体的黏合性很差．

3 防弹与防刺织物

芳纶纤维的比强度和比模量是钢铁的10倍左右，而超高强聚乙烯纤维的比强度又比芳纶纤维高出1．5倍左右［9］．高强的单根纤维或束丝并不能起到防弹作用，只有将纤维按一定的规律排列整合起来，才能有效地抵御枪弹或破片的冲击．

3．1 防弹织物

目前，在防弹领域将纤维有规律地整合起来的形式主要有2种：机织布和无纬布．前者是通过织机编织而成，后者则是通过特殊的单向复合工艺制成．目前芳纶纤维防弹织物有机织布和无纬布2种，而超高强聚乙烯纤维作为防弹材料时一般为无纬布．防弹纤维一直在向高强度、高模量、细化方向发展．纤维越细，强度越大，制成的防弹衣就越柔软舒适，防弹性能越好．

软质防弹材料是由机织物经过一定的缝制工艺固定在一起，或是由无纬布多层叠合在一起而制成．在软装甲领域，采用芳纶多层堆积的方法可进一步提高防弹材料的防弹和防刺性．近年来，美国采用了一种新型的编织法——多轴向铺层系统．该编织法的特点是使铺层结构每层中的每根纱线都配置在精确的位置上，以达到给定方向上的最大抗拉强度，或者在各个方向上都具有相同的抗拉强度．采用这种编织法编织的防弹衣，质地更柔软，质量更轻，防弹能力比普通机织物提高15%［10］．

将几种材料复合再织成织物，也是提高织物防弹能力的途径之一．纤维复合材料是指由2种或2种以上不同材料以不同方式组合而成的纤维制品，它可以发挥每种材料的优点，克服单一材料的缺点，扩大材料的应用范围．将芳纶纤维与超高强聚乙烯纤维复合，不仅可以提高材料的防护能力，而且可以提高织物的染色性和改善手感．复合材料有多种分类方法，一般以基体分类，可分为树脂（高分子）基、金属基和陶瓷基复合材料，而树脂（高分子）基所占的比例最大．由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性［11］等特点，已逐步取代木材及金属合金．

3．2 防刺织物

防刺及防割材料依然以芳纶纤维和超高强聚乙烯纤维为主，而织物形式则是以针织物及无纺织物为主．防割等机械防护产品包括采用对位芳纶制成的防护手套、挡板、护袖、防锯针刺毡等．护腿也可以采用由对位芳纶或粗尼纶纱和纤维合成的针刺毡，或者针刺毡与机织材料的复合体［12］．

采用由超高强聚乙烯短切纱与芳纶短切纱混纺所制的防刺材料制造的软质防刺服，能有效地阻挡冷兵器刺、割、砍的攻击，全面保护人体躯干和内脏．

4 存在的问题

（1）防弹纤维复合材料的主要缺点是抗弹性能容易受潮湿环境的影响，在潮湿环境中其防弹性能会有所下降；此外，防弹纤维成本普遍较高．这些因素使它的应用受到一定的限制．

（2）芳纶在紫外线长时间照射及周围环境非常湿润时，防护性能会有所下降．另外，芳纶同树脂基体的黏合性较差，必须对其表面进行改性．

（3）超高强聚乙烯大分子是由亚甲基基团组成，大分子链上无任何极性基团，纤维表面光滑，因此与热固性树脂黏结性差．而作为结构材料，关键是要解决超高强聚乙烯纤维与树脂间的黏结．为此，就要对超高强聚乙烯纤维表面进行改性，以增强纤维与树脂间的黏结强度．再者，它的热性能也较差，也要通过相应的手段加以改善．

（4）超高强聚乙烯纤维增强复合材料的轴向压缩性能比较差，材料受压后会产生失稳弯折和界面脱粘2种现象．再加上它的弯曲性能较低，材料在弯矩作用下，当受压部分负荷超过纤维的压缩强度时，会导致分层．

（5）防弹材料对树脂与纤维间的黏结强度有一定的限制：若黏结强度太大，当受到外界冲击时，界面易产生长的微裂纹，并产生应力集中点，不利于能量的吸收，从而防弹能力下降；若黏结强度太小，则树脂与纤维之间易分层，冲击应力不能通过树脂来有效传递，从而很难发挥纤维的增强作用．所以要适当控制纤维材料与树脂间的黏结强度，使防弹材料达到最佳的防弹效果．

5 结 语

随着社会的进步和科技的发展，用于防弹及防刺领域的材料越来越多，防弹材料的防弹性能也在不断地被优化；但是防弹材料的耐热、抗冲击能力、纤维的表面黏结强度、黏结后树脂与纤维的连续性、纤维的耐湿性能都有待进一步提高；同时，防弹织物的组织结构也需要多样化．应结合织物组织结构与防弹材料的优缺点进行综合考虑，设计出携带方便、防弹能力强的防弹衣．

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Progress of Bulletproof and Stab－resistant Textile Materials

RAO Jue
（Wuhan Textile University，Wuhan 430073，China）

In this paper，the mechanism of bulletproof materials is introduced．The properties of aramid and ultra－high strength polyethylene and types of weaving for bulletproof textile are also discussed respectively．In addition，the probelms and improving direction for bulletproof and stab－resistant textile now and future are pointed out．

mechanism of bulletproof；aramid；ultra－high strength polyethylene

TS151

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．01．016

1671－6906（2012）01－0067－04

2012－01－19

饶 崛（1983－），女，湖北武汉人，硕士．