【摘要】高性能纖維具有優(yōu)異的理化性能,，在個(gè)體防護(hù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。本文介紹了高性能纖維在軟質(zhì)防彈服領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展,，分析了其優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn),，并討論了軟質(zhì)防彈服發(fā)展方向,。

【關(guān)鍵詞】高性能纖維 軟質(zhì)防彈服 防彈性能

1引言

防彈服是在特定的環(huán)境下,，為了保證人的生命安全而穿著的一種個(gè)體防護(hù)裝備,。它通過吸收和耗散彈體的動(dòng)能,，有效的保護(hù)人體受防護(hù)部位^[1],。根據(jù)防彈服的使用材料，可分為硬質(zhì)防彈服和軟質(zhì)防彈服,。軟質(zhì)防彈服是以高性能纖維為服料,，具有質(zhì)地柔韌、質(zhì)量輕,、防彈效果好的優(yōu)點(diǎn),。軟質(zhì)防彈服不僅性能優(yōu)良，且外觀較普通服裝毫不遜色^[2],，深受廣大工作者的喜歡,。

2軟質(zhì)防彈服防彈機(jī)理及其影響因素

2.1軟質(zhì)防彈服的工作機(jī)理

軟質(zhì)防彈服防彈主要通過兩種途徑：一是防彈服將彈體碎裂后形成的破片彈開，防止彈體碎片對(duì)人體的傷害,；二是通過防彈材料消釋彈體的動(dòng)能,，通過防彈層在受侵徹過程中的變形、破壞,，消耗彈體破碎的動(dòng)能,，達(dá)到防止彈體或碎片對(duì)人體的貫穿性損傷，以及避免彈體沖擊波對(duì)人的非貫穿性損傷的目的^{[1,，2,，3]}。以高性能纖維為主要服料的軟質(zhì)防彈服,，其防彈機(jī)理以后者為主,，其防彈能力可以由公式（1）表征：

R²=W×C               （1）

式中：R為防彈性能,；W為斷裂能量吸收率；C為纖維中的聲速,。C由纖維的模量和韌性決定,，模量越高，韌性越好,，C就越大,，防彈性能就越好。

2.2防彈性能影響因素

軟質(zhì)防彈服防彈性能是以材料對(duì)彈體或碎片能量的吸收程度來衡量的,。防彈材料吸收能量的性能主要受纖維的結(jié)構(gòu)和性能影響,，如比強(qiáng)度、比模量,、韌性,、密度等。因而,，應(yīng)用于軟質(zhì)防彈服的高性能纖維應(yīng)滿足以下基本要求^[4]：

（1）纖維應(yīng)具有良好的強(qiáng)度,。軟質(zhì)防彈服主要通過足夠高的強(qiáng)度來抵御彈體的沖擊力、防止彈體貫穿而達(dá)到防彈的目的,。目前認(rèn)為用于防彈衣纖維的纖維強(qiáng)度應(yīng)高于2.2 GPa,。很多高性能纖維都具有良好的強(qiáng)度性能。如：軍用和警用防彈衣實(shí)際應(yīng)用的芳綸1313纖維強(qiáng)度可達(dá)到3.38 GPa以上,，超高分子量聚乙烯纖維的強(qiáng)度為2.7 GPa,。

（2）纖維應(yīng)具有較好的變形能力。即較高的模量和較低的斷裂伸長,。如果防彈材料的模量過高,，斷裂伸長過低，則斷裂功過小,，無法有效的吸收彈體和碎片的動(dòng)能,；如果模量過低，斷裂伸長過高,，則受到彈擊擊中時(shí),，防彈材料容易變形，即使彈體未貫穿防彈材料,，也可能發(fā)生非貫穿性損傷,。

（3）纖維應(yīng)具有良好的沖擊波傳遞能力。該性能可以將彈體的沖擊能量及時(shí)擴(kuò)散,，避免過度集中的受力對(duì)人體造成損傷,。

（4）防彈材料的力學(xué)性能不應(yīng)該對(duì)濕度、含水率敏感,，以避免在落水后發(fā)生性能變化,。

3常用軟質(zhì)防彈服材料及其性能

3.1幾種高性能纖維的性能對(duì)比

3.1.1碳纖維

碳纖維由石墨微晶構(gòu)成,，其含碳量高于90%，具有優(yōu)良的理化學(xué)性能,，其基本性能見表1,。碳纖維強(qiáng)度和模量高，斷裂伸長小,，無蠕變,，耐疲勞性好，聲速C值大,；但其斷裂伸長率太小,，斷裂功較小，在受到彈體沖擊時(shí),，吸收彈體動(dòng)能性能較差，容易損傷,，其防彈能力較差,。因此碳纖維一般只作為補(bǔ)強(qiáng)材料，與其他材料配合制成復(fù)合防彈材料使用^[6,，7],。

3.1.2芳香族聚酰胺纖維

芳香族聚酰胺纖維是由線型芳香族聚合物制備而成，其商品名為芳綸,。目前在防彈領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的是對(duì)位芳香族聚酰胺纖維,，其主鏈大分子通常呈現(xiàn)高度規(guī)則性、沿大分子軸向排列,，取向度高,，形狀為棒狀結(jié)構(gòu)；在大分子鏈中存在較強(qiáng)的共價(jià)鍵和較弱的氫鍵,；在酰胺基中,，氧原子和氮原子的電子會(huì)產(chǎn)生共軛效應(yīng)，具有良好的物理化學(xué)性能,。最具代表性的是Kevlar纖維,，其基本性能見表1。Kevlar纖維具有很高的斷裂強(qiáng)度,，較高的模量和斷裂伸長,，其吸收能量的能力較碳纖維有很大的提高。Kevlar纖維使用的溫度范圍也較寬,，在-196℃～250℃范圍內(nèi)可正常使用,；此外，Kevlar纖維有良好的絕緣性和抗腐蝕性,，對(duì)有機(jī)溶劑,、鹽溶液有很好的穩(wěn)定性,，生命周期很長；其聲速C值也較大,，具有優(yōu)良的防彈性能,。但Kevlar纖維對(duì)水分和紫外線較為敏感，長時(shí)間曝露于日光中和潮濕環(huán)境中,，其強(qiáng)度會(huì)有較大的損失^[7,，9]。

3.1.3超高分子量聚乙烯（UHMWPE）

UHMWPE纖維是由荷蘭DSM公司采用凝膠紡絲法制備而成,，是繼碳纖維,、Kevlar纖維之后的第一種高性能超高分子量聚乙烯纖維，其基本性能見表1,。UHMWPE纖維結(jié)晶度高,，大分子主鏈結(jié)合強(qiáng)度高的特點(diǎn)使其具有很高的強(qiáng)度和模量：UHMWPE纖維的比強(qiáng)度比芳綸高35%，比碳纖維高50%,；比模量僅低于碳纖維,，是芳綸的2.5倍；而且由于該纖維在常規(guī)準(zhǔn)靜態(tài)條件下具有較高的模量,，能形成較高的聲速傳播,，從而使得在防護(hù)彈體沖擊時(shí)吸收能量和傳遞應(yīng)力波的能力較高；由于UHMWPE纖維的表面呈化學(xué)惰性,，該纖維具有優(yōu)異的耐化學(xué)性,、耐侯性、防水性和耐光性等特點(diǎn),。而且,，該纖維密度是所有高性能纖維中最小的纖維，可以大大的減輕工作人員體力強(qiáng)度,。因此從防彈衣的防彈性和舒適性等綜合性能分析,，UHMWPE纖維是目前公認(rèn)的防彈性能最好的纖維。但是UHMWPE纖維的耐熱和粘接性較差,，最高使用溫度僅為100℃,，當(dāng)該防彈服被彈體擊中時(shí)容易出現(xiàn)熔融破壞的現(xiàn)象^[8]。

3.1.4玻璃纖維

玻璃纖維具有高強(qiáng)高摸特點(diǎn),，且其資源分布廣泛,，價(jià)格低，在防彈領(lǐng)域中占有著獨(dú)特的市場(chǎng)地位,，特別透明性使其在防彈頭盔的護(hù)目鏡等防彈裝備中占有無法取代的位置,。另外，玻璃纖維還具有耐高溫,、抗腐蝕,、強(qiáng)度高,、比重和吸濕低及絕緣好等一系列優(yōu)異特性。但是玻璃纖維斷裂伸長率較大,，當(dāng)被彈體擊中時(shí),，彈著點(diǎn)的凹陷變形容易使人體受到傷害。且其聲速較其他高性能纖維低,，其對(duì)彈體的沖擊能分散能力較其他高性能纖維差,。

3.1.5碳納米管纖維

碳納米管與高分子材料結(jié)構(gòu)相似，但其穩(wěn)定性要比高分子材料高很多,。若將其制成復(fù)合材料,，可使其具有良好的強(qiáng)度、彈性,、抗疲勞性和各向同性的特點(diǎn),。目前，碳納米管纖維的拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值最大可達(dá)200GPa,，是碳纖維的20倍,，至少比常規(guī)石墨纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)；具有理想結(jié)構(gòu)的單層壁的碳納米管,，其抗拉強(qiáng)度約800GPa；彈性模量為1.8TPa,，與金剛石的彈性模量相當(dāng),。碳納米管纖維密度很小，只有鋼的1/6,，作為纖維材料紡成布后完全能滿足軟質(zhì)防彈服的要求^[4],。

以上幾種高性能纖維的性能比較結(jié)果見表1。

3.2高性能纖維防彈復(fù)合材料

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異,，各類殺傷性武器的出現(xiàn),，單一的高性能纖維越來越難滿足防彈性能要求，因而,，具有各項(xiàng)綜合性能的防彈復(fù)合材料有了進(jìn)一步的發(fā)展,。目前，常用作復(fù)合材料基體的高性能纖維主要有碳纖維,、芳綸纖維,、超高分子量聚乙烯纖維、玻璃纖維等,。這些高性能纖維與纖維增強(qiáng)樹脂能復(fù)合出性能更加優(yōu)越的防彈復(fù)合材料,，如：質(zhì)量輕、柔韌性好,、防護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn),。因此高性能防彈復(fù)合材料在軟質(zhì)防彈衣領(lǐng)域取得快速的發(fā)展,。如第三軍醫(yī)大學(xué)利用防彈復(fù)合材料在防雷靴與防彈背心領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展^{[5，10,，11,，12]}。

但由于防彈復(fù)合材料是由多種材料復(fù)合而成,，防彈復(fù)合材料存在不均勻性,、各向異性、本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜,、破壞機(jī)理復(fù)雜,、強(qiáng)度準(zhǔn)則復(fù)雜等特點(diǎn)，這些問題一旦解決,，軟質(zhì)防彈衣將會(huì)有巨大的發(fā)展,。

4結(jié)論與展望

通過以上分析與研究，我們得出以下結(jié)論：

（1）高性能纖維在輕質(zhì)防彈服領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用,，纖維的發(fā)展也促使了軟質(zhì)防彈服的發(fā)展,。

（2）高性能纖維由于性能的不足引起軟質(zhì)防彈服防彈性能的缺陷，有待于解決與提高,。

（3）高性能防彈復(fù)合材料性能較單一高性能纖維優(yōu)良,，更能滿足軟質(zhì)防彈服的功能性的需要，是未來軟質(zhì)防彈服發(fā)展的方向,。