刘伟伟，张维，崔淑玲
（河北科技大学纺织服装学院，河北石家庄050018）
【摘要】简述了以高性能纤维作为防弹材料的防弹机理，主要分析了几种纤维的结构及其防弹性能，并在此基础上分析了PBO 纤维以及生物纤维蜘蛛丝应用于防弹领域的可行性。 【关键词】高性能纤维；结构；防弹性能；应用
中图分类号：TS102.52文献标识码：B
功能防护纺织品基本上都由高科技纤维制成。自上世纪70 年代起一些高性能纤维开始应用于防护纺织品，如芳香族聚酰胺纤维、碳纤维，到90 年代已经形成高科技纤维系列，包括高性能纤维、耐热性纤维和功能性纤维[1]。
防弹衣按使用的主体材料的不同，一般可以分为硬体防弹衣、软体防弹衣及软、硬复合型防弹衣三种[2]。高性能化学纤维主要用于制作软体防弹衣，这些具有防弹作用的高性能纤维主要包括碳纤维、芳纶、高强高模聚乙烯纤维，此外，新兴的纤维如聚苯撑苯并恶唑（PBO）纤维以及生物纤维蜘蛛丝等也有望在防弹复合领域有所作为。 硫芴1 防弹衣的防护机理
软体衣既要抵御弹头侵彻，又要防御非贯穿性伤害。其防弹机理从根本上说有两个：一是将弹体碎裂后形成的破片弹开；二是通过防弹材料消释弹头的动能。以高性能纤维为主要防弹材料的软体防弹衣，其防弹机理则以后者为主，即利用以高强纤维为原料的织物“抓住”子弹或弹片来达到防弹的目的[3]。
1.1 软体防弹衣软件防弹衣是利用高强高模纤维制
成的，质地柔
韧、质量轻。它利用“以柔克刚”的原理，在子弹击中织物后，纤维将冲击波吸收，从而减少对人体的损伤，起到防弹效果。但软式防弹衣只能用于轻火力场合，对重火力武器防护效果不够理想[4]。
有研究表明，软体防弹衣吸收能量的方式有以下五种：1．1．1织物的变形
包括子弹入射方向的变形和入射点临近区域的拉伸变形。
1．1．2织物的破坏包括纤维的原纤化、纤维的断裂、纱线结构的解体
以及织物结构的解体。
1．1．3热能能量通过摩擦以热能的方
式散发。
1．1．4声能子弹撞击防弹层后发出的声音所消耗的能量。
1．1．5弹体的变形
弹体接触防弹衣后，由于受到阻滞受挫而变形、变钝，减少了贯穿速度，使能量减小达到防弹的目的。
1.2 软硬复合式防弹衣
此类防弹衣基本是软式防弹衣，在预留夹层中放置一定厚度的钢板或陶瓷，以增大反弹的功能，主要用于重火力场合。
为了提高防弹能力而发展起来的软硬复合式防弹衣，其防弹机理可以用“软硬兼施”来形容。子弹射中防弹衣时，首先与其发生作用的是硬质防弹材料如钢板或增强陶瓷材料等。在这一瞬间的接触过程中，子弹和硬质防弹材料都有可能发生形变和断裂，因而消耗了子弹的大部分能量。高强纤维织物作为防弹衣的衬垫和第二道防线，吸收、扩散子弹剩余部分的能量，并起到缓冲的作用，从而尽可能地
降低非贯穿性损伤。在这两次防弹过程中，前一次发挥着主要的能量吸收作用，大大降低了射体的侵射力，是防弹的关键所在[5]。
假牙清洁剂虽然防穿透是基础和前提，但不能一味提高防穿透性能而忽视了非贯穿性伤害。因为弹头打在防弹衣上，虽未穿透，但其冲击动能通过防弹衣作用于人体，也可能造成人体的伤害，尤其是内脏伤害。这种在防弹衣的防护层未被贯穿或击破的情况下，投射物的冲击动能通过防护层作用于人体而对人体造成的伤害就称为非贯
收稿日期：2009-03-14
作者简介：刘伟伟（1984.10-），女，河北省唐山市人，河北科技大学纺织服装学院在读硕士生。研究方向：印染前处理助剂。
26广西纺织科技2009年第38卷第3期
穿性伤害。因此，防弹高性能纤维对降低非惯穿性伤害的作用是不容忽视的。
2 几种高性能纤维的防弹性能
防弹材料的防弹性能是以该材料对弹丸或碎片能量的吸收程度来衡量的。而防弹材料的能量吸收性受
材料的结构和特性影响，纤维的密度、韧性、比模量及断裂伸长率都影响纤维的防弹效果。纤维的防弹性能可以由（1）式表征：定性、高结晶性、高取向结构及高拉伸性能。玻璃化转变温度高和优异的热稳定性，使芳纶纤维在弹道冲击所产生的高温度下可以保证抗冲击结构的稳定性；高结晶、高取向性产生了高模量，保证了对轴向变形的快速反应；高弹性和中等延伸率使芳纶纤维具有高韧性，从而在纵向断裂时能有效工作。我国开展芳纶防弹板的研究，在最优的基体与纤维比例方面取得了进展[8]。
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 纤维织物制作防弹衣，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3.83kg。随着Kevlar 商业化的实现，K evl ar 优良的综合性能使其很快在各国军队的防弹衣中得到了广泛的应用，有效地提高了军队的快速反应能力和防护能力[9]。高档防弹芳纶布与高性能的聚乙烯薄膜制成的软制防弹背心，比超高相对分子质量的聚乙烯纤维的耐热性能好[10]。
2.3 高强高模聚乙烯（HSHMPE）纤维由于芳纶（芳香族
聚酰胺纤维）的产业化生产较早，
且技术成熟，所以过去的防弹服多以此种纤维为原料。但是，由于芳纶的比重较大，且强度和模量均
低于HSHMPE 纤维，因而用其开发的防弹服的重量较大且外观臃肿，既给穿着者带来不适，又易使攻击者察觉并转而攻击头部等危险部位，使得防弹服无法起到防弹的作用，导致较严重的伤亡[11]。近年来，防弹服的原料已逐渐被HSHMPE 纤维所取代，一些国家以此开发了功能性更强、服用性更好的防弹服。
2.3.1 HSHMPE 纤维的结构
HSHMPE 纤维的高强高模特性来源于它本身的超高相对分子质量、沿轴向高度取向和完善的晶体。HSHMPE 纤维的大分子链高度取向、高度结晶，纤维内晶区及非晶区的大分子充分伸展，形成部分伸直链结构；折叠链、伸直链结构共存，具有典型的串晶结构；非晶区内含有大量的张紧缚结分子，内仅含有少量链端、扭曲等缺陷，并散布于纤维中。含有张紧缚结分子的非晶区部分是影响力学性能的关键部分。
2.3.2 HSHMPE 纤维的性能
2．3．2．1HSHMPE 纤维具有优良的力学性能。其密度为0.97，只有芳纶的2/3 和高模碳纤维的1/2，而轴向拉伸性能更高，其比强度是现有高性能纤维中最高的，比模量除高模碳纤维外也是很高的，比芳纶高得多。2．3．2．2优良的抗冲击性能。HS HMPE 纤维是玻璃化转变温度低的热塑性纤维，韧性很好，在塑性变形过程中吸收能量，因此，它的复合材料在高应变率和低温下仍具有良好的室内导航技术
力学性能，抗冲击能力比碳纤维、芳纶及一
（1）
R2 = W·C
式中：R—防弹性能指标；
W—断裂能量吸收率；
C—纤维中的声速。C 由纤维的韧性和模量决定，模量越高，韧性越好，C 值越大[6]。
2.1 碳纤维碳（石墨）纤维由石墨微晶构成，因而具有
涡轮抽风机很高的强
度和弹性模量，断裂延伸较低。它的种类很多，作为补强材料，碳纤维增强树脂是结构复合材料的主流，但由于碳纤维树脂复合材料的耐冲击性低，吸收子弹或碎片的冲击能也较低，故在防弹复合材料中应用较少[7]。
水电安装开槽机2.2 芳纶芳纶是一种高强度、高模量和耐高温的纤
维，具有
良好的抗老化性能和很长的生命周期。因此，美、英等发达国家采用的防弹头盔均为芳纶材质。头盔的轻型化，有效提高了战争中军队的快速反应能力和杀伤力。
2.2.1 对位芳纶的结构与性能对位芳纶纤维是一种呈
对位排列的刚性高分子材
料，其主链结构上的大分子通常呈高度的规则性排列。在其刚性的直线型分子链中，由于存在着较强的共价键和较弱的氢键，而且在酰胺基中，氧原子和氮原子的电子会产生共轭效应，因此，芳纶1414 纤维通常具有优异的机械强度、防火、耐高温、耐化学腐蚀、抗疲劳等性能，其强度、模量、分解温度等均明显高于芳纶1313 纤维，有“合成钢丝”的美誉。由此可见，防护领域是对位芳纶的一个重大应用领域。
2.2.2 芳纶在防弹材料上的应用芳纶的高强度为各行
各业所看好，尤其是军事方
面。现代头盔起源于一战，用于降低士兵的伤亡率。二战以后至70 年代军队防弹头盔均为钢盔，大部
分为高锰钢或特殊钢，盔壳多为冲压成型。尼龙盔主要应用于英国和以列，头盔内有一层高密度聚乙烯泡沫防震层提高舒适度。芳纶盔是多层芳纶布经特殊树脂粘结，高温高压成型的。芳纶盔是杜邦公司于70 年代开始研制的，优点是强度高，质量轻，以及防护性能好，被越来越多国家采用。
芳纶纤维的抗弹道冲击性应归功于其优越的热稳
2009年第38卷第3期广西纺织科技27
般玻璃纤维复合材料高。HS HMP E 纤维复合材料的比冲击总吸收能量分别是碳纤维、芳纶和E玻璃纤维的1.8
倍、2.6倍和3倍，其防弹能力比芳纶装甲结构的防弹能力高 2.6 倍。除此之外，HS HMPE纤维还具有耐低温、耐
油、耐化学腐蚀、抗紫外光、卫生无毒等一系列优点。2．3．2．3由凝胶纺丝法制备的HSHMPE 纤维具有特别高的强度和模量，但蠕变性较高限制了其应用。HSHMPE 纤维蠕变性较高的原因是其结构为线型结构，主链由亚甲基基团组成，分子链之间没有像氢键那样强的相互作用，分子结构中存在着结晶部分和非结晶部分，结晶和非结晶态有一个非常复杂的微观结构。改进HSHMPE 纤维蠕变性能的主要方法是使纤维自身交联或者与其他纤维混杂等。交联主要通过对HSHMPE 纤维进行辐射处理来完成，也可与碳纤维、芳纶等混杂来实现其抗蠕变性能。
2.3.3 HSHMPE 纤维在防弹材料上的应用
由于HSHMPE 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，如坦克防护板、雷达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣等，其中以防弹衣的应用最为引人注目。它具有轻柔的优点，防弹效果优于芳纶，现已成为占领美国防弹背心市场的主要纤维。另外HSHMPE 纤维复合材料的比弹击载荷值U/ρ 是钢的10 倍，是玻璃纤维和芳纶的2 倍多。国外用HSHMPE 纤维增强的树脂复合材料制成的防弹、防暴头盔代替了钢盔和芳纶增强的复合材料头盔已取得成效。
2.4 PBO 纤维
PBO 纤维具有高强、高模量、耐热、阻燃等特性，其强力、模量为Kevlar 纤维的两倍。PBO 纤维的极限氧指数为68，在有机纤维中它的阻燃性最高。PB O 纤维柔软性良好，织成的织物柔软性近似于涤纶纤维织物，利于纺织编织加工。PB O 纤维的抗老化性能、耐热性和耐燃烧性都比芳纶好，而且，它的耐冲击性比芳纶、碳纤维要高很多。因此，PBO纤维将有可能被用于防弹复合领域。
2.5 蜘蛛丝
2.5.1 蜘蛛丝的性能蜘蛛丝是一种高分子蛋白质纤
维，具有其他纤维不
可比拟的强度大、弹性好、柔软、质轻、抗断裂、耐紫外线等优点，并且可生物降解和回收，不会对环境造成污染，是生产绿织物优异的纺织材料。
2.5.2 蜘蛛丝应用于防弹领域的可行性蜘蛛丝不仅具
备强度大、弹性好、柔软、质轻等优良
性能，还具有目前的材料所不及的透气性。另外，蜘蛛丝的超级伸长能力使它断裂时需要吸收更多的能量，理论上可以使射弹更有效地减速，将它用于防弹衣会起到极好的消力作用，对破碎作用是一种很大的障碍，因此可以用于防弹衣的制造，也可以用于制造坦克和飞机的装
甲，以及军事建筑物的“防弹衣”等[12]。
虽然蜘蛛丝具有较高的强度和很大的断裂伸长率，其力学滞变性具有良好的能量吸收作用，但是蜘蛛丝的高吸能功能是以大变形为前提的，如果用蜘蛛丝制作防弹衣，则在可以接受的整衣重量下，弹丸对人体的贯穿性损伤和非贯穿性损伤均无法防御[13]。因此，若将蜘蛛丝应用于制造防弹衣，须与其它防弹材料复合使用。
3 结语
高性能纤维的开发和应用，引起了人们的极大兴趣，使众多敢于创新的企业及科学工程技术专家涉足这一技术领域。防弹功能纺织品所使用的材料由防弹尼龙加铝片或陶瓷片，到高强度尼龙纤维和凯夫拉材料，再到超高分子量聚乙烯纤维，不但防弹材料有了很大突破，加速了防弹材料向轻量化、舒适化的方向发展，也极大地拓展了防弹材料的空间，而且防弹的性能也在不断增强。随着科学技术的不断进步，软体防弹材料将显示其越来越强的生命力，预计在不久的将来，将会有更丰富、更优越的新产品诞生。
参考文献
[1]王曙中. 高科技纤维在功能防护纺织品中的应用[J].纺织导报，2003，（4）：54-57. [2]孙幸福.新型防弹材料的选材研究[J]. 中国劳动
防护用品，2003，40（3）：44-46.
[3]咸兴平，刘禄胜，于静. 防弹衣的防护机理及防护性能分析[J]. 中国个体防护设备，2007，（2）：22-24.
[4]王浩.防弹衣及防弹用复合材料[J].高科技纤维与应用，2001，26（5）：21-23.
[5]黄献聪. 防弹衣概述[J].中国个体防护装备，2003，（5）：22-23.
[6]黄玉松，陈跃如等. 超高分子量聚乙烯纤维复合材料的研究进展[J].工程塑料应用，2005，33（11）：69-73.
[7]郑震，杨年慈等. 硬质防弹纤维复合材料的研究进展[J].材料科学与工程学报，2005，23（6）：905-909. [8]夏于旻.芳纶复合材料的性能、制备及应用[J].内
蒙古石油化工，2006，（9）：16-18.
[9]岳升彩.新型纺织材料在军事上的应用—软质防弹衣[J].山东纺织经济，2007，（6）：78-80.
[10]袁金慧等.芳纶的应用和发展[J].高科技纤维与应用，2005，30（4）：27-30. [11]周庆，吴国祥.浅析对超高分子量聚乙烯（U HM WPE）
纤维防弹服的开发[J].纺织科学研究，1999，（1）：39-42.
穿孔管
[12]陈瑶，孟清，卿凤翎.蜘蛛丝纤维的特性与开发生产[J].现代纺织技术，2006，（6）：53-56.
[13]黄献聪，施楣梧.蜘蛛丝的力学性能及其应用取向[J].纺织导报，2004，（3）：32-38.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议