高性能纤维在柔性防弹衣中的应用

摘要

通常将具有高强度、高模量、耐高温等优良性能的纤维称为高性能纤维。高性能纤维最早出现在20世纪70年代初,例如芳纶纤维、超高分子量聚乙纤维、PBO纤维等,这些纤维应用于各种硬质、柔性防弹衣中,有效减轻了防弹衣的质量。其中,柔性防弹衣主要用来防护铅芯弹、低速手枪弹、小口径步枪弹、小口径破片及爆炸冲击波的威胁，减轻或避免其对人体造成伤害;同时还应具有良好的服用性能域轻便舒适,减少对人体活动的限制，从而保证穿着者行动灵活,具备足够的机动性和作战能力，主要应用对象为军队、武警和执法人员。

近年来，随着现代军事战争中新型武器的快速发展和使用,柔性防弹衣的性能升级及轻量化的要求与日俱增。柔性防弹衣主要包括外套和柔性防弹靶片，其中柔性防弹靶片主要以高性能纤维为原料，加工成纺织品结构(如梭织布和柔性无纬布等),通过多层看合、绗缝工艺制成,具有质量轻、穿着舒适的特点。以芳纶Ⅱ纤维、芳纶Ⅲ纤维、超高分子量聚乙烯纤维、PBO纤维4种常用高性能纤维为对象，介绍其性能特征及其在柔性防弹衣中的应用，旨在为开发柔性防弹材料和防弹衣的企业提供理论参考。

1.柔性防弹衣的防弹机理

高性能纤维应用于柔性防弹衣时，通常采用2种形式:梭织物(图1)和无纬布(图2)。

梭织物由相互垂直的经纱与纬纱交织形成稳定的二维平面结构。梭织物在弹道侵彻过程中，主要通过交织点上纱线的相互作用吸收和消耗弹丸及破片的冲击能量,其损伤模式以拉伸断裂为主。平纹织物是当前柔性防弹衣应用最广泛的结构形式之一，在高速冲击下,平纹织物以纤维断裂吸收弹丸动能为主，在低速冲击下，与弹丸直接接触的纱线通过抽拔和滑移吸收动能。刘晏辰对平纹梭织物靶片开展弹道冲击测试,结果表明,织物的损伤主要集中于破片冲击区城内,弹丸直接作用的中心纱线抽拔痕迹明显，而其他非接触区域变形较小。周熠等对超高分子量聚乙烯平纹织物开展穿透性弹道试验,结果表明，由超高分子量聚乙烯纤维制成的梭织物在弹道侵彻过程中能有效抵御拉伸断裂作用(图3)。

无纬布是一种低树脂含量的纤维增强复合材料纤维以[0°/90°]n铺层,所有纤维平行伸直,经少量树脂浸润并热压固化而成。无纬布由于组织结构中缺乏真正的交织点，无纤维屈曲，纤维的抗拉强度、模量等力学性能保持率高,能够快速吸收和扩散弹丸高速冲击能量,其损伤模式以剪切断裂为主。王绪财等在研究防弹衣用柔性超高分子量聚乙烯无纬布在多弹丸作用下的抗弹性能和结构损伤时发现,靶片经多发弹侵彻后,结构紧密的靶片对弹丸侵彻的阻力远大于结构疏松的靶片。张燕等开展芳纶Ⅲ无纬布弹道冲击试验,结果表明,无纬布靶片受到弹道侵彻时应力集中显著,其损伤模式以剪切断裂为主(图4)。

2高性能纤维在柔性防弹衣中的应用

2.1芳纶Ⅱ纤维

芳纶Ⅱ纤维的分子链由芳香基团和酰胺基团构成,属于芳香族聚酰胺纤维,俗称对位芳纶(PPTA)纤维,分子结构式如图5所示。芳纶纤维具有高强度、高量、耐高温和阻燃的特点,该长丝的结晶度高达90%以上，比模量为钢纤维的2倍,比拉伸强度是钢纤维的5~6倍,而质量仅为钢纤维的1/5。芳纶Ⅱ的极限氧指数(LOI大于28%,属于阻燃纤维，不会因使用时间较长而丧失阻燃性能。其可在200℃高温下长期使用，且能保持较高强力，自熄性好,可靠性佳。芳纶Ⅱ纤维的热分解温度为500℃，高温条件下不会熔融或熔滴,当温度大于370℃时才开始炭化。

20世纪70年代,美国杜邦公司最早研制出芳纶纤维,商品名为凯夫拉(Kevlar®),其出现替代了锦纶，玻璃纤维等材料,所制作的防弹衣比锦纶防弹衣更轻，在面密度相同的情况下,防护能力提升1倍,并具有良好的柔韧性。世纪80年代中期,美国地面部队配备“地面部队单兵护甲系统(PASGT)”,防弹材料采用高性能凯夫拉纤维,早期PASGT防弹衣使用Kevar29,20世纪90年代以后升级为Kevlar129,材料更新使其V50值从485m/s提升到510m/s。2017年在法国巴黎军警装备展上，帝人公司推出TwaronomForteSB3防弹衣,采用芳纶超细纤维,可有效抵御9mm全金属外壳的圆头子弹(如:357MAGJSP)。20世纪90年代初,欧洲柔性防弹衣由芳纶织布叠层绗缝制成,梭织布线密度为1100dtex,可抵御430m/s的9mm口径子弹。我国列装的04B型防弹衣，前后片均采用芳纶材料，对1.1g破片的V50值达525m/s2017年,杨丹通过多层芳纶Ⅱ织物组合,研发出符合女性体型的柔性防弹衣，防弹性能满足美国NI标准要求。

2.2芳纶亚纤维

芳纶Ⅲ纤维,也称杂环芳纶，是通过在芳纶Ⅱ的分子结构中引人杂环的改性单体制备而成，分子结构式如图6所示。与芳纶Ⅱ纤维相比,通过引人苯并咪唑杂环结构,纤维的界面性能得到改善,芳纶亚纤维与树脂的复合性能显著提升，有利于提高防弹效果。芳纶Ⅲ纤维的热分解温度为550℃(表1),兼具优异的耐热性能与突出的耐低温性能,在40℃环境下放置4h后,其力学性能与在常温条件下测试的结果相比，几乎无变化。芳纶Ⅲ纤维长时间暴露于紫外线下时，其力学性能虽会降低，但相较于芳纶，强度下降速率更慢,经340nm紫外线照射360h后，芳纶拉伸强仅下降7%,而芳纶Ⅱ强度下降达15%。对于柔性防弹衣,将防弹层密封于经抽真空处理的黑色不透光、不透水、强度较高的防水布套中后,可显著减少光照对其性能影响。

由此可知,芳纶Ⅲ纤维具有高强度、高模量、抗冲击等优异的性能,综合性能远超芳纶Ⅱ纤维,为其在柔性防弹衣领域的应用奠定了坚实基础。20世纪80年代末,俄罗斯启动杂环芳纶研发，商品名为Rusar®、Armos®等。俄罗斯“未来士兵系统”配装的6B43型防弹衣于2010年列装部队,其防弹材料为芳纶纤维无纬布,此款防弹衣既轻又柔,可抵御钢芯弹威肋，具有优异的防钝伤效果，凹陷深度很小。我国已将芳纶纤维作为高端材料应用于弹道防护装备。2016年，公安部一所推出柔性防弹衣“金蝉甲”,采用国产芳纶Ⅲ无纬布,可有效抵御51式7.62mm手枪弹穿透。

2.3超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯纤维(简称PE纤维)的分子结构为线型分子链,由乙烯单体聚合形成,具有高取向度与高结晶度,分子结构式为:CH2一CH2)n。由表1可知,PE纤维密度最低(0978g/cm),质量最轻,且化学性质稳定,抗冲击力与耐光性优于芳纶纤维。但其存在耐热性差,在温度150℃条件下,易分解,易蠕变,与聚合物基体黏接性差等缺陷。黄献聪等对PE纤维及其复合材料的热氧老化行为进行研究,结果表明，在50、70、90℃下热氧老化1344h后,对1.1g标准模拟破片的弹道极限V50保持率均大于95%。由于PE纤维抗静电性和集束性较差,虽适用于无纬布织造,却难以用于梭织布织造。因此，PE纤维在柔性防弹衣中主要应用织物形态为无纬布

1984年,荷兰公司DSM与日本东洋纺(Toyobo)公司合资建立PE纤维生产线，商品名为Dyneema。俄罗斯设计开发的“百夫长”Sotnic)士兵装备系统，防护材料采用PE无纬布,能够阻止以670m/s速度飞行的子弹,并可防御冲锋枪发射的子弹。我国PE纤维虽然产业化时间晚，但发展较快。我军列装的15型武警防弹衣,其防弹材料为PE无纬布,可有效抵御51式7.62mm手枪弹(铅芯)5m射击距离内的攻击,同时防御1.1g标准模拟破片的弹道极限V50值达到650m/s以上。由公安部装备财务局组织开展的“警盾2019”防护装备公开比测活动可知1级、2级、3级警用防弹衣为柔性防弹衣,在参测样品中，防弹层材料采用PE无纬布的产品分别占比78%、64%、65%，均超过半数,可见PE无纬布在柔性防弹衣中广泛应用。

2.4PBO纤维

PBO纤维学名为聚对苯撑苯并二唑纤维,分子结构式如图7所示。由表1可知，PBO纤维具有优异的力学性能和热学性能,极限氧指数高达68%,耐热温度达到650℃,在火焰中不燃烧、不收缩,抗燃性能较好。但是PBO纤维的光老化性能较差，其强度会随着暴露在阳光下时长的增加而降低，可通过纤维涂层法分子链接枝法等方法解决其耐光性差的问题。

20世纪90年代，日本东洋纺研发出PBO纤维,商品名为Zylon,其强度和模量是芳纶纤维的2倍以上20世纪90年代末，国内许多高校及科研单位对PBO纤维进行了相关研究。2019年，成都新晨新材科技有限公司成功研发出PBO纤维,商品名为Houdelen®德国ROBUSO公司推出了采用独特工艺设计的PBO纤维防弹衣系列产品，不仅能有效抵御不同级别弹头的贯穿,还能避免或显著减轻人体受弹击时造成的非贯穿性损伤,可吸收子弹能量。21世纪初,由美国SecondChanceBodyArmour公司采用Zylon®纤维制作的柔性防弹衣在湿热环境下长时间贮存后，发生了子弹近距离穿透事故。美国布朗大学利用金钯合金纳米颗粒催化剂，制备出高性能PBO纤维，用于制作防弹衣，其热稳定性和拉伸强度均明显优于Zylon。因此，PBO纤维对紫外光、可见光和湿热环境的极度敏感性严重制约了其在柔性防弹衣领域的应用。各种高性能纤维基本性能对比见表1。

3结束语

柔性防弹衣对提升士兵作战能力尤为重要。随着高性能纤维材料在军事领域的应用，防弹衣的材质从最初的金属发展到当前的非金属实现了质的飞跃。因此，为研发轻量化、高防护性、人机工效优异的防弹衣未来可研究开发更高性能的新型纤维材料，或改进现有高性能纤维以弥补其缺点，或通过分析不同纤维混杂材料的性能参数并探究其最佳配比,均可有效提升防弹衣的防护性能与穿戴舒适性。