高分子材料在军事抗弹领域的应用

2021-12-10姬燕飞王红梅原晓城张国宁

橡塑资源利用 2021年1期

关键词：凯夫蜘蛛丝防弹衣

姬燕飞王红梅原晓城张国宁

高分子材料在军事抗弹领域的应用

姬燕飞王红梅原晓城张国宁

（天津市橡胶工业研究所有限公司，天津，300384）

本文阐述了高份子材料的特点、防弹材料的结构原理和作用机制，归纳了高分子材料在防弹领域的应用现状，展望了发展趋势。

高分子材料；结构；防弹

高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，也称为聚合物材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。它是一类以平均分子质量较高的化合物为基体，再配以其他添加剂所构成的材料。由于大量原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化合物，高分子材料相对于小分子，具有显著的特征，一是分子量大，一般在10000以上，二是分子量分布具有多分散性。高分子化合物与小分子不同，它在聚合过程后变成了不同分子量大小的许多高聚物的混合物。高分子材料按照来源不同分为天然高分子材料和合成高分子材料。

高分子材料和另外不同组成、不同形状、不同性质的物质复合粘结而成的多相材料成为高分子复合材料。高分子复合材料最大优点是博各种材料之长，如高强度、质轻、耐高温、耐腐蚀、绝热、绝缘等性质。根据应用目的，选取高分子材料和其他具有特殊性质的材料，制成满足需要的复合材料。高分子复合材料分为两大类：高分子结构复合材料和高分子功能复合材料。高分子结构复合材料包括两个组分：①增强剂。为具有高强度、高模量、耐高温的纤维及织物，如玻璃纤维、氮化硅晶须、硼纤维及以上纤维的织物。②基体材料。主要是起粘合作用的胶粘剂，如不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等热固性树脂及苯乙烯、聚丙烯等热塑性树脂，这种复合材料的比强度和比模量比金属还高，是国防、尖端技术方面不可缺少的材料[1]。高分子功能复合材料是由高分子基体材料与具有某种特殊功能的材料共同结合构成，如将具有导电、半导电、磁性、吸波、透声、光感、高吸水倍率等性质的材料，与粘合剂复合而成，使之具有新的应用功能。

1 凯夫拉纤维

20世纪60年代美国杜邦(DuPont)公司研制成功超高强度、超高模量、耐高温的合成纤维——凯夫拉(Kevlar)，并很快在防弹领域得到了应用[2]。这种高性能纤维的出现使柔软的纺织物防弹衣性能大为提高，同时也在很大程度上改善了防弹衣的舒适性。美军率先使用Kevlar制作防弹衣，并研制了轻重两种型号。新防弹衣以Kevlar纤维织物为主体材料，以防弹尼龙布作封套。其中轻型防弹衣由6层Kevlar织物构成，中号重量为3.83千克。相比尼龙和玻璃纤维防弹衣，重量减轻50%；在单位面积质量相同的情况下，其防护力至少可增加1倍，并且具有很好的柔韧性。

图1 聚対苯二甲酰二胺结构式

图2 凯夫拉纺织材料单丝结构

图3 凯夫拉纺织材料

图4 凯夫拉材料纺丝分子链取向示意图

“Kevlar”（凯夫拉）是商标名，实际材质为聚对苯二甲酰对苯二胺，它是属于一种液态结晶性棒状分子。这种液态结晶性棒状分子结构，可以在浓溶液中形成高度有序的相畴，在纺丝定向拉伸时，相畴沿着剪切方向形成几乎完美的分子取向，而赋予凯夫拉纤维极高的强度和模量。

2 超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）是由相对分子质量在100万到500万的聚乙烯纺成的纤维，是目前世界上强度最高与比重最轻的纤维，同等质量的纤维比钢丝强度高15倍。在国防军需装备方面，由于该纤维的耐冲击性能好，比能量吸收大，在军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料，如直升飞机、坦克和舰船的装甲防护板、雷达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣、防刺衣、盾牌、降落伞等，其中以防弹衣的应用最为引人注目。它具有轻柔的优点，有资料报道现已成为占领美国防弹背心市场的主要纤维。另外超高分子量聚乙烯纤维复合材料的比弹击载荷值U/p是钢的10倍，是玻璃纤维和芳纶的2倍多。国外用该纤维增强的树脂复合材料制成的防弹、防暴头盔已成为钢盔和芳纶增强的复合材料头盔的替代品。

3 液体防弹材料(TBS)

液体防弹材料(TBS)的主要成分是一种特制“剪切增稠液体(STF)”，这种液体一般由分散粒子SiO2和有机物分散介质乙烯基乙醇、聚乙二醇、聚丙二醇或者矿物油等一种或几种的混合物组成。“剪切增稠液”中自由悬浮着粒子，当液体因为剧烈冲击而被搅乱时，其中的特殊粒子相互碰撞，形成了对这种搅动的抵抗力。当搅动力足够大时，这些粒子其实就已被相互“锁定”。当子弹高速撞击这种材料时，“剪切增稠液”就会吸引撞击能量，并迅速变得极其坚硬，从而吸收子弹的冲击能量。

4 碳纳米管材料

碳纳米管是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一，有着极高的拉伸强度和断裂伸长率[3]。其密度只有钢铁的六分之一到四分之一，单位质量上的拉伸强度，却是钢铁的276倍，弹性模量参数，碳纳米管比凯夫拉强2.4倍，综合性能远远超过目前人类发现和制造的其他任何材料。防弹效果上主要是体现在弹性模量上，也就是说碳纳米管纤维盔具或防弹衣比凯夫拉的抗击强度最起码高2.4倍。更薄、更柔软，重量只有传统防弹衣使用的凯夫拉的一半，而且还可以防刺伤，通过碳纳米管硬化影响防止刀具穿透。但碳纳米管纺织成型制成服饰依然受技术限制，无法实现大规模工业化生产限制了碳纳米管的广泛应用，尽管如此以其优异的力学性能，依然会成为抗弹领域优选的材料之一。

图5.碳纳米管受力变形示意图

5 新材料之王—石墨烯

作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”[4]。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

图6 石墨烯材料受力变形模拟图

研究石墨烯防弹衣的科学家表示，石墨烯制成的防弹衣拥有2倍于现有防弹衣技术（凯夫拉）的防护能力。虽然目前石墨烯依然不能单独制成强有力的材料，但是能多层复合到结构材料中，这样就能制止其受弹击后向外碎裂的过程。石墨烯防弹材料可广泛应用于武装直升机防护装甲、防弹衣、轻型防护装甲、防爆装备等军工产品中，在民用防弹材料市场及军用防弹材料市场均具有广阔的市场前景。

6 压缩玻璃碳

压缩玻璃碳是一种新型碳材料，具备石墨和金刚石的成键特征，是一种由sp2和sp3组成的混合杂化物，具有奇异的性能，密度和导电性与石墨相近[5]。其压缩强度明显高于金属和陶瓷材料，比强度是碳纤维、聚晶金刚石、碳化硅和碳化硼陶瓷的2倍以上。其硬度与宝石相当，可刻划碳化硅单晶。其局部变形的压入弹性恢复率在70%以上，明显高于金属和陶瓷材料，甚至高于形状记忆合金和有机橡胶。压缩玻璃碳集轻质、超强、高硬、高弹和良好导电性于一身，具有优异的综合性能和许多潜在应用，如军用装甲和航空航天等领域。

7 动物蛋白—蜘蛛丝

蜘蛛丝的弹性和柔韧性都很好，耐冲击性强，耐低温性能好，在-40℃的条件下仍能保持弹性。强度高质量轻是制作防弹衣的理想材料。而且，蜘蛛丝是由蛋白质组成，因而是生物可降解的天然材料，对环境友好。但是无法工业化大量生产人造蜘蛛丝，且人造蜘蛛丝的强度只能达到天然蜘蛛丝的1/3，还无法达到防弹纤维的要求。但由于蛛丝这种蛋白纤维具有合成纤维一些不具备的优点，因此依然是制造防弹衣的备选材料。