防刺织物的研究与发展现状

蔡普宁 李 丽 樊争科 林 娜 赵 雷

(陕西省纺织科学研究院，陕西西安，710038)

1 防刺织物的研究背景及必要性

自2001年“9·11事件”发生以来，相继发生了多起暴力恐怖事件，如2010年7月7日英国伦敦地铁和公交车连环爆炸案，2013年4月5日波士顿马拉松比赛终点线附近两起爆炸，2014年3月1日我国昆明火车站暴力恐怖袭击事件等，促使个体防护成为一个世界性的关注方向。

各类砍伤、割伤、刺伤案件的接连发生,使人们对自身安全的防护意识不断提高。刺穿武器材质的发展经历了木头、石头，到现在的金属材料。防护材料从金属薄片装甲衬衣到由金属丝加工成扁环相互嵌套的锁子甲，由于穿着笨重、加工难度高、周期长、造价高等问题，目前多偏向于柔性防刺装甲的研究与开发[1-2]。

目前国内约有90万的武警、150万的公安人员，还有海关、解放军等对防弹衣防刺服有巨大需求的公职人员，防刺装甲的研究与开发势在必行。随着经济和社会的发展，军民融合战略的实施，加之技术创新和高性能纤维的不断涌现，防刺柔性轻质装甲整体处于相对活跃的研究氛围[3]。

2 国内外研究现状

防刺服最初采用的是金属类材质的全硬质材料，如将铁、钢等金属加工成金属板或金属插片。后期发展到半硬质防刺材料，主要采用金属类材质(金属片、金属环)与树脂进行浸渍，相较于全硬质材料，在质量和舒适性方面均有改善。目前主要研究的热点为软质防刺材料，多采用高分子柔性纤维材料制成，结合其他技术的综合应用，为防刺服更进一步的减重、增加舒适性提供保障[4]。

现阶段，针对防刺服的研究国内外均取得了较大的进展，但是基本都是从材料角度出发。防刺装备金属材质主要有：硬质铝合金、碳钢、不锈钢以及低成本的马口铁[5]。虽然这种防护服的防刺穿性能优异，但其质量和刚性对使用者的活动和穿着舒适性有较大的限制。为了减轻防刺服的质量并提高穿着舒适性，通过对金属丝进行加捻或将金属绕成金属环，在端点进行点焊，且在环与环之间形成互锁。现有铠甲主要有三种：纺织品皮革、金属插板、锁子甲[6]。

金属插板类薄片装甲衬衣是由许多块装甲片组成的，然后通过细绳连接在一起，当我们收紧这些细绳时，每一片装甲便会相互靠近甚至重叠。其原理为块状金属插片相互串联形成平面防护层，当刀尖入刺时，在节点处形成自锁，刺入深度随节点孔径的增大而增大。其优点为：可将冲击能量更好地大面积反射散播、抗变形、抗凹痕；缺点为：质量重，加工难度高，加工成本高，穿着舒适性差。

锁子甲是铠甲的一项重要发明，由铁丝加工成扁环(小铁圈)，相互套结[7]。其原理为小铁环相互穿套，铁环自身的粗细决定其所能承力的大小，铁环的直径大小决定刀尖刺入的深度。当刀尖入刺时，钝化刀具，在孔隙处形成自锁，刺入深度随孔隙处直径的增大而增大。其优点为：质量较金属片状铠甲有所减轻，抗变形，具备一定的灵活性；缺点为：质量较重，加工难度非常高，加工成本非常高，穿着舒适性差。锁子甲金属环互相串套结构如图1所示。

图1 锁子甲金属环结构示意图

图3 长块金属板结构

图2是由六角形的铝板构成，外围由十二边形的法兰用铆钉固定。图3采用小块的长方形金属板，边缘钻孔，由铆钉连接，轮流重叠排列。此类结构通过拼合层将金属轻质薄片连接在一起，使材料的防刺性能得到显著的提高。芳纶纤维和高分子模量聚乙烯纤维由于其高强、高模、耐高温和耐化学作用等功能，目前被广泛运用在防刺产品领域，织物结构设计与不同高性能纤维原料选配的结合，为实现软质柔性防刺材料奠定了基础。防刺产品的形式主要为一层或多层的织物或其他防刺材料的复合，如浸胶的芳纶PE毡、在芳纶机织布上涂覆金刚砂、细特芳纶和PE织成的机织布或填充了纳米粒子的浸胶毡/织物等均具有较好的防刺性能[8]。

美国Criminology国际公司研究所研制开发的《一种轻便柔软的防穿透背心》是一种较为轻型的针织防刺织物，纤维采用芳纶或高性能玻璃纤维等，为多层结构，各层用缝合、热黏合等方法结合在一起[9]。通过浸渍热塑性树脂或环氧树脂来增强该防穿透背心的防刺性能，通过加入高强金属丝及陶瓷纤维等提高防穿透性能，亦可在外表面采用不锈钢网、钛丝或钛等的金属轻质薄片形成凹凸不平偏斜层来增加材料的防刺效果。美国JHRG LLC公司[10]开发了一款防穿刺、防剪切的层压织物，该织物通过在一定的张力下采用115 ℃至137 ℃充分加热软化热塑性薄膜，织物收缩便产生了层压压力，可获得具有柔韧性好、防切割、防穿刺性能的层压织物。

GA 68—2008《防刺服》对防刺类产品的要求较高，目前具备防刺性能的材料有很多，但要达到防刺性能和舒适性能同时具备并不容易。防刺服的面料开发目前面临的主要技术难点有两个方面：一是防刺服面料需具备良好的防刺功能性，二是防刺服面料需在质量上保证轻质[11]。

3 防刺机理研究

很多人认为，既然防弹衣能防住高速冲击的子弹，那么对刺刀、匕首的穿刺威胁就更没有问题了，所以没有必要专门研究防刺材料，其实不然[12]。防弹理论并不能应用在防刺上，具备防弹性能的软体装甲材料并不能满足防刺性能要求[13]。防刺纤维材料应具有高强度、高模量、耐剪切和耐冲击的性能。目前，常用的防刺纤维材料有超高分子量聚乙烯纤维、芳纶、聚对苯撑苯并双嗯唑纤维、陶瓷纤维、碳纤维、蚕丝丝胶、蜘蛛丝、聚对苯二甲酸丁二酯和聚酯纤维等。

在刺刀刺入衣服的过程中，刺刀能量迅速降低[14]，受力区域的纤维将冲击能向邻近区域传播，能量分散的越快越能降低对作用区域的损伤，防弹服与防刺服在能量吸收分散方面的机理类似。相对于枪弹的高速冲击，刺刀作用于防护服时主要为剪切作用，作用范围小。相应的，若防护材料的组织越紧密、强度越高，防剪切性能就越好。目前防刺效果较好的防刺衣大部分为密度较大的硬质材料。从机理方面来说，刺刀或匕首刺入织物的过程能量分散范围窄，因此单位密度纤维所吸收的能量较大。防刺包括防刺穿和防切割两方面，穿刺过程中刀尖接触织物开始拉伸纤维紧接着对其产生切割作用[15]。综上，防刺材料必须有紧密的组织以使其可以握住刀尖，同时还需要多层织物重叠，抵御伴随刀尖的能量。

防刺的原理主要有两个方面：摩擦自锁机理和多层复合防刺机理。如图4所示，通过对刺入力F在织物表面的分解可知，沿水平方向的分力值Fs=Fsinα，沿垂直方面的分力值Fn=Fcosα。当刺刀垂直刺入织物时Fn值最大，破坏力最大，织物更容易受损。当刺刀与织物呈一定夹角刺入时，力值会在平行方向和垂直方向产生分力值，当刺入角α大于最大自锁角度时，则刺刀在材料表面滑动，此时对材料的刺穿损伤较小。

图4 刺力在织物表面的分解

多层防刺织物多采用无纺布与机织物的多层复合，机织物承担拉伸力，无纺布承担剪切力。隔层铺设，逐层消耗剪切能和拉伸能，达到消耗全部冲击能的目的。如图5所示，当刺入力垂直作用于防护服表面，由于受力产生弯曲，刺入力F值分解为平行于表面的切向力(拉力)F1和垂直于表面的法向力(剪切力)F2，因此需要能承担这两种力的织物作为吸能材料。在外力作用下，多层织物的变形规律如图6所示，由力的分解得F1=Fsinβ，F2=Fcosβ，在力的作用下越往下层β角越小，于是切向力越小，法向力越大[16]。杜邦公司开发的一种柔性防刺复合材料，由多层织物制成，其中至少有一层用聚对苯撑苯并噁唑纤维或聚对苯二甲酸丁二酯纤维织成的织物和一层用另一种聚合物形成的纤维网。发明者认为各种纤维最佳线密度为0.5 dtex至3.5 dtex，纱线最佳线密度为220 dtex至1 700 dtex，否则影响防刺效果。在世界专利中，杜邦公司提供了一种高密度的机织芳纶织物，该织物能防护尖锐物体如锥子等的刺伤，使用的芳纶丝细度低于500 dtex，纱线强韧性高于30 J/g，纱线中纤维细度低于1.67 dtex[17]。

图5 多层复合受力分析

图6 多层织物变形示意图

4 防刺相关标准

许多国家和地区都制定有各种不同的防刺性能测试标准[18]。美国司法部制定的NIJ Standard—0101.06《Ballistic Resistance of Body Armor》和英国Home Office Scientific Development Branch《Body Armour Standards for UK Police(2007)》是目前比较通用的防弹衣和防刺服标准。除此之外，还有欧洲标准化委员会制定的防刺性能测试标准ISO/FDIS 14876《Protective Clothing Body Armor》和德国的《German Schutzklassen Protectivevests Bullet Resistant Vests with Stab Protection》以及我国GA 68—2008《《防刺服》标准等。

5 发展趋势

随着社会经济的发展进步和人们安全意识的不断提高，防刺类产品的研究与开发得到了越来越多研究人员的关注，传统的金属类铠甲装备或金属材质的硬质防刺材料会逐步被市场淘汰。一面功能，一面轻质，个体防刺装甲在满足保护人体抵御利器等尖锐物体伤害的基础上，还要满足人体穿着的舒适性。目前硬质防刺装甲材料逐渐被半硬半柔质防刺材料所取代，但在质量和穿着舒适性方面仍然存在诸多不足，应用范围亦会越来越小[19]。

现有产品在满足防刺性能的基础上不具备防弹性能，防弹装甲亦不具备防刺性能，在特殊场合中两套装甲的重叠使用会增加人体负重和穿着舒适性[20]。如何在节约成本的基础上，开发出既能防弹又能防刺的多功能防护服装是目前需要重点突破的方向。另外，随着防护类产品在社会上的广泛使用及更深入的了解，人们对防护用具在不同领域会有不同的有限防护需求，更进一步地追求穿着时的舒适性。