警用防暴盾牌材料的研究_郭艳文.pdf

第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology警用防暴盾牌材料的研究郭艳文1,2 柯梦婷1,2 陈红霞1,2 黄晓梅1,2 曹海建1,2（1.南通大学，江苏南通，226019；2.安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心，江苏南通，226019）摘要：总结警用防暴盾牌的发展概况。介绍了金属防暴盾牌、聚碳酸酯防暴盾牌、复合材料盾牌的发展现状以及防暴盾牌成形工艺。重点总结了 5种复合材料防暴盾牌的性能特点。对比了国内外防暴盾牌相关标准的内容。认为：随着技术和材料的进步，防暴盾牌将向着高效、舒适和轻量化方向发展。关键词：防暴盾牌；金属；聚碳酸酯；成形工艺；复合材料；碳纤维；测试标准；冲击强度中图分类号：TS155.6 文献标志码：B 文章编号：1000-7415（2023）06-0080-05Research on police anti-riot shield materialGUO Yanwen1,2 KE Mengting1,2 CHEN Hongxia1,2 HUANG Xiaomei1,2 CAO Haijian1,2（1.Nantong University，Nantong，226019，China；2.National&Local Joint Engineering Research Center for the Research and Development of Special Fiber Composite Materials for Safety Protection，Nantong，226019，China）Abstract Development of police anti-riot shield was summarized.Development status of metal anti-riot shield，polycarbonate anti-riot shield，composite materials for anti-riot shield and shield forming process were introduced，Performance characteristics of five kinds of composite materials for anti-riot shields were summarized emphatically.Content of anti-riot shield standards at home and abroad were compared.It is considered that with the progress of technology and materials，anti-riot shield will develop towards higher efficiency，more comfortable and lighter weight.Key Words anti-riot shield，metal，polycarbonate，forming process，composite material，carbon fiber，test standard，impact tenacity防暴盾牌是用于防御伤害性打击的手持防护装备，具有抗击打、防穿刺等功能，一些盾牌设计用于抵抗来自低速手枪和霰弹枪的子弹1。防暴盾牌主要由盾体和托板等组成，有时还有减震缓冲护垫和为提高防护能力的金属防护条。1976年英国的诺丁山狂欢节暴乱后，英国警方开始在执法中使用防暴盾牌。如今，随着国家反恐防暴的要求，警用防暴盾牌在警务实战中得到了广泛应用。从群体性事件处置到对手持器具暴恐分子的处置，防暴盾牌几乎在每个拥有标准化警察部队的国家和地区都有使用2。1 防暴盾牌的分类防暴盾牌可以分为透明防暴盾牌和非透明防暴 盾 牌 两 种。透 明 防 暴 盾 牌 主 要 由 聚 碳 酸 酯（PC）构成；非透明防暴盾牌主要由金属或复合材料 制 成，其 成 形 设 计 时 需 额 外 加 装 透 明 观察窗3 13。1.1聚碳酸酯防暴盾牌自 1970年以来，英国已在商业上生产了许多不同的防暴盾牌，其中聚碳酸酯被认为是最好的材料。聚碳酸酯是一种新型高分子防护材料，具有透明度高、轻质、高强、韧性好等特性，除此之外，还具有很好的耐热、自熄灭性，因此越来越多地应用在防暴领域4。英国 Arnold Engineering Plastics 公司生产了 Advance 防暴盾牌，整个系列产品体积小、质量轻且灵活性好，背面采用舒适、灵活的手柄，使用时方便、省力5。英国 Arnold OSID码基金项目：国家重点研发计划（2018YFC0810300）；江苏省高校自然科学研究重大项目（18KJA430011）；江苏省先进纺织工程技术中心开放课题（XJFZ/2021/14）；南通大学大学生创新训练计划项目（2021153）作者简介：郭艳文（2000），女，在读硕士研究生；曹海建，通信作者，教授，收稿日期：2022-12-14】【80第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile TechnologyDisplay Division 公司的 Am2长防暴盾牌，专为英国大都市警察而设计；该盾牌为全身防护型，防护面积大，通常为第一列之镇暴人员使用6。2003阵列式防暴盾牌采用新型聚碳酸酯材料，材料寿命为 7年至 10年，与现装备的 981型防暴盾牌相比寿命提高 40%以上，强度有较大提高7。尽管聚碳酸酯是一种非常坚韧的材料，但尚未证明具有防弹性。至今，用聚碳酸酯制造的防暴盾牌主要是防止棍棒和抛掷物8 4。1.2金属防暴盾牌几个世纪以来，由木材和金属材料制成的防暴盾牌一直被用于个人防护装备；考虑到高强度和特殊的机械稳定性，金属无疑是冲击防护应用的首选材料9。钢制盾牌具有抗多发弹性能强的优点，以及环境适应性强、使用周期长等特性10。铝合金作为可以实现轻量化的金属结构材料，在防暴盾牌等个体防护领域具有重要的应用价值。铝合金防暴盾牌是以改变传统聚碳酸酯防暴盾牌存在的缺陷而设计的，具有耐低温击打、防紫外线辐射能力强、坚固耐用等优势，可有效防止刀砍、棒击，并可阻挡腐蚀液体泼撒。阳长江采用轻质、高强度铝合金作为盾体，安装防砍条和下边护沿后成为一体，能保证盾体在使用中不变形，且耐冲击强度160 J11。谷松等通过聚碳酸酯板材嵌入钢网加工防暴盾牌，能够在不影响视线的前提下，有效防范暴恐分子的高危武器重击，同时质量较一般金属盾牌明显减轻，便于使用12。FBPBLSD 306防暴盾牌观察窗采用双层 PC板，中间夹有不锈钢丝网，提高了抗冲击与抗穿刺性能，能够有效防止在强烈冲击下 PC 板破裂后引起的碎片飞溅对眼睛的伤害。防暴盾牌的一个重要属性是盾牌的轻量化。在当今暴乱频发、武器威胁加剧的情况下，急需提高作战效率，减轻使用者的疲劳，提高装备的灵活性。在这方面，质量始终限制着金属防暴盾牌的使用。1.3复合材料防暴盾牌近几十年来，复合材料因其质量轻、应力转移能力强，具有高冲击能量吸收能力和同时处理多击物体的能力而获得了广泛应用。随着国内外反恐趋势的日趋复杂，暴力行为、火力武器甚至弹道冲击的威胁对防暴盾牌的防护性能提出了更高的要求，而复合材料轻质、高强的特点可使其满足多种防护类型。1.3.1玻璃纤维复合材料防暴盾牌警用复合材料防暴盾牌通常采用玻璃纤维复合材料制作，属于非透明防暴盾牌。例如：891型防暴盾牌是由玻璃纤维材料与树脂复合压制而成，主要用于防御钝物的击打13；SD6 型多功能防暴盾牌属于玻璃钢材质，坚硬且轻便。该类盾牌具有良好的耐腐蚀性、绝缘等特点，但同时容易变形，体积质量大且复合板受冲击易碎，脆性较大。在参与高寒地域作战时，不宜使用玻璃钢盾牌，而应主要携带合金或多层纤维为主体的盾牌。1.3.2UHMWPE纤维复合材料防暴盾牌抗冲击性是 UHMWPE 纤维的重要特性，其抗冲击强度远高于现有塑料。UHMWPE 纤维复合材料在高应变率和低温下仍能保持较好的力学性能。用该纤维制作的防暴盾牌具有优异的能量吸收和防刺性能，能够满足防护装备的防护要求。JFFDP3S1/W 型双手持防暴防弹盾牌采用高性能聚乙烯无纬布层压成形。147 J 动能冲击或穿刺测试后，受力点无穿洞，盾体未出现破裂现象，观察窗不脱落。同类型的还有 FDFBP3LA型 FE 防弹防暴盾牌。马焕明发明了一种高寒轻质防暴盾牌，采用 UHMWPE 纤维增强 PU 树脂热压成形14。成形后的盾牌比同规格的铝合金盾牌轻37.5%，盾体坚固，使用温度在-40 55。任玉良等发明了一种防弹、防刺、防暴轻质盾牌，该盾牌采用高强度聚乙烯膜防弹材料，经高温高压一次模压成形，其防火防暴性能优良，还能够耐爆炸物的冲击15。FDP3FSWD01型防暴盾牌采用聚乙烯原料制作，防弹性能达到 GA3。1.3.3芳纶 1414复合材料防暴盾牌芳纶 1414 复合材料较玻璃纤维复合材料的主要优势是质量轻和抗冲击性能突出，在碰撞中能有效减少损伤，具有优异的减震性能16。此外，对于弹道冲击即突然发生的冲击，芳纶的高密度有助于吸收低速冲击子弹产生的冲击波17。王斌等发明了一种防护盾牌，防护板通过若干层芳纶布压制成形，具有质量轻、防护安全性能高等特点，且能够有效阻挡冲击波的能量18。ALAN H等采用芳纶复合材料层压工艺发明了一种具有弹道特性的防暴盾牌，该盾牌可在暴乱情况下提供个人防护，防止投掷瓶子、石块等，在需要时也可提供弹道保护19。1.3.4碳纤维复合材料防暴盾牌碳纤维的比强度和比模量较高，因此用碳纤】【81第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology维复合材料制成的防暴盾牌质量轻、强度大。无锡智上新材料科技有限公司生产的碳纤维警用盾牌采用碳纤维复合材料模压一体成形，盾牌厚度2.2 cm，质量 2.3 kg，尺寸 980 mm450 mm，比同规格的防暴盾牌轻，便于操作，抗击打能力强，对强酸碱等腐蚀溶液具有耐受性。朱波等发明了一种折叠式碳纤维复合材料盾牌，刚性片以高强型 T700 碳纤维二维平纹编织体、高模量 M40 碳纤维二维平纹编织体、高强型 T300 碳纤维三维编织体为增强体，以环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂为树脂基体制备碳纤维复合材料外侧刚性层，大大降低了盾牌质量，增加了警用盾牌的机动性和携带舒适性20。1.3.5混杂纤维复合材料防暴盾牌混杂纤维复合材料是一种新型复合材料，为多种纤维增强一种或多种基体的复合材料21。混杂纤维复合材料的组合形式弥补了单一纤维的缺点，扩展了复合材料的性能和使用范围，能够在满足使用载荷的前提下大幅降低材料的成本22。高峰发明了一种非金属复合材料手持式防暴盾牌，采用高性能聚乙烯纤维 UD 材料与 E玻璃纤维及天然麻纤维为辅助材料，通过复合压制成新的结构盾牌板，其力学性能超过现有防暴盾牌的要求，且在极低温度环境下不脆裂，防暴抗暴性能优良23。李仪建发明了一种复合材料警用盾牌，盾体包括芳纶材质层、环氧树脂层、高强度碳纤维层，在保证盾体较高强度的同时，降低了盾体的质量，方便了使用24。芳纶材质有很好的防火和防弹性能，这样盾体不仅能隔绝明火，避免盾体被烧坏，提高了使用寿命，且有很好的防弹效果。2 防暴盾牌的成形工艺防暴盾牌加工过程中产生的各种裂口或形状改变等都会对盾牌的整体外观和局部性能造成影响，因此防暴盾牌的成形工艺十分重要25。2.1热压成形工艺热压成形制造工艺简单，不仅适用于聚碳酸酯盾牌，还可用于金属盾牌和复合材料盾牌。高源等发明了一种全透明复合防暴盾牌，具体步骤：先将两块烘干的 PC 板材送入热弯机，再将 PU 胶片置于热弯后的 PC 板材之间进行合片，然后将合片后的 PC 板材进行热真空预压排气，最后高压成形26。警用铝合金金属防暴盾牌 ATPRSMRT03 采用高冲击性的铝合金热压成形，增强韧性。通过热压成形的盾牌在完成后还需要进行二次操作，连接锦纶带或聚酯带等形成防暴盾牌的握把。2.2注塑成形工艺注塑成形最常用的成形方法之一，聚碳酸酯盾牌多采用一体注塑成形。注塑成形原理：先将软化或熔融的塑料注入成形模腔中，经保压、固化、冷却、脱模后形成制品。黄新历发明了一种一体式防暴盾牌，盾牌本体和增强护件一体注塑成形，呈一体式结构，盾牌成形后无需再做后加工处理，具有省时省力、制作效率高的优点，且盾牌无需另加螺钉，可大大降低生产成本27。聚碳酸酯盾牌 FBDP02型防暴盾牌采用一体注塑成形，盾牌比传统热压成形工艺的韧性更强。注塑成形也存在一些需要解决的缺点：一是盾牌表面会因为模具材料的退化出现条纹等；二是壁厚的变化可能导致收缩不一致，从而导致盾牌翘曲。3 防暴盾牌的性能研究抗冲击、抗击打是防暴盾牌的核心性能。在使用过程中，防暴盾牌受到棍棒等的低速冲击会使复合材料内部发生分层、基体开裂、纤维断裂等现象，从而导致盾牌的防护能力大幅下降28。所以提高防暴盾牌的抗冲击性至关重要。除此之外，在暴乱中盾牌也会受到穿刺、弹道冲击等威胁。杨杰等通过对聚碳酸酯防暴盾牌进行防暴性能试验发现，聚碳酸酯在低温下容易出现低温脆性，导致防暴能力有所下降13 16。因此，在低温下使用聚碳酸酯防暴盾牌时应注意聚碳酸酯在低温下可能会发生低温脆性，从而导致防暴盾牌在受到冲击时碎裂。CHEON J等采用碳纤维、玻璃纤维、芳纶三种不同类型的纤维增强复合材料，研制出了坚硬抗穿刺防暴盾牌材料。通过静态刺压试验机研究了每种复合材料，发现与碳纤维复合材料相比，碳纤维/芳纶复合材料有更好的抗穿刺性能，认为：通过混杂可显著改善碳纤维复合材料的损伤面积，减少纤维开裂29。EDWARDS M R等测量了在暴乱中可能的投掷物速度，发现这些速度低于滚珠轴承对聚碳酸酯造成的宏观破坏速度，而且撞击点的机械应力对随后的机械性能没有影响，所以进一步认为易脆性失效可能与被尖锐物体击打或冲击后暴露在溶剂中有关8 6。随后】【82第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology对试样以大于 50 m/s 的速度撞击后进行强伸性和强度试验，发现其力学性能下降，尤其是试样受到冲击后放在丙酮溶液中，这种影响更为显著。总之，目前国内外针对防暴盾牌性能的试验研究和理论研究都较少，相关研究主要集中在聚碳酸酯盾牌，应用范围限制较大。所以，在未来应扩展对防暴盾牌的性能研究，为提升各种类型防暴盾牌的性能打下基础。4 防暴盾牌的测试标准国际上有关防暴盾牌的测试标准主要是英国的 BS 797132002 暴力情形和训练中使用防护衣和设备 第 3 部分 个人防卫护罩 要求和试验方法（以下简称 BS 797132002）和美国的DLA AA595392000 非防弹盾牌（以下简称 DLA AA595392000）。我国现行的防暴盾牌的测试标准主要是 GA 4222019 警用防暴盾牌（以下简称 GA 4222019）和 GJB 43832002 防暴盾牌通用规范（以下简称 GJB 43832002）。其中 BS 797132002 和 GA 4222019均对防暴盾牌的耐冲击强度、耐击打强度及耐穿刺性能等列出了具体的测试方法。以我国现行的 GA 4222019 为例，标准中规定：（100.05）kg 的冲击头自 1.5 m 高度向盾牌中心自由落锤冲击后，盾体不应有穿洞或出现冲击点以外的破裂现象；（100.05）kg 的穿刺头自 1.5 m 高度向盾牌中心自由落锤冲击后，受力点不应有直径大于 6 mm 穿洞或在受力点以外的破裂现象；线速度（180.3）m/s、能量（34213）J的击打后，盾体不应破碎或出现长度大于 50 mm的贯穿性开裂，产生的最大凹陷深度应小于或等于 30 mm。BS 797132000 涉及两个级别的保护。1 级是较低的防护等级，要求盾牌在 20 储存后和经过可燃性预处理后都通过钝性和尖头冲击测试。2 级是更高级别的保护，要求盾牌在暴露于各种化学品时进行冲击测试，并对其进行边缘冲击切割测试以模拟砍刀式攻击。DLA AA595392000 主要要求了盾牌的耐冲击性能和耐击打性能，规定：缺口悬臂梁冲击强度值在 0.6 kJ/m0.9 kJ/m；帐篷杆、斧头或标准防暴警棍击打时，盾牌无破裂。此外，GJB 43832002 对防暴盾牌的防弹性能提出了要求，规定在常温条件下，在距盾牌 25 m处，用猎枪（12 号猎枪弹）向盾牌中部射击一发，盾牌不应有洞穿现象。5 结语综上所述，从金属、聚碳酸酯板材到高性能纤维复合材料的应用，技术和材料的进步推进防暴盾牌向着高效、舒适、轻量化的方向发展。目前，高性能纤维复合材料已经成为军警防暴盾牌的主导材料，其优良的物理和化学性能使其具有优异的防护性能。对于研发人员来说，通过利用纺织复合材料开发出更加轻质，同时防护级较好的警用复合材料防暴盾牌具有重要的现实意义，这也是改善现有警员防护装备的总体方向。参考文献：1BHATNAGAR A.Military and Law Enforcement Applications of Lightweight Ballistic MaterialsJ.Lightweight Ballistic Composites，2006：364-397.2HUNSICKER A.Behind the shield：anti-riot operations guideM.Boca Raton：Universal Publishers，2011：1-200.3杨杰，王誉天，邱日祥.警用防暴装备的研究进展及应用分析 J.中国个体防护装备，2013（6）.4杨杰，文弋，邱日祥.聚碳酸酯冲击力学响应规律及防暴性能研究 J.兵器材料科学与工程，2014，37（5）：88-91.5邱日祥，吴瑞红.国内外警员防护装备现状与发展J.警察技术，2010（1）：53-56.6陈桂香.国外防暴类警员防护装备概览 J.警察技术，2009（1）：56-60.7刘建，张谦，王伟.盾牌的发展历程及价值功能探究J.产业与科技论坛，2016，15（11）：108-109.8EDWARDS M R，WATERFALL H.Mechanical and ballistic properties of polycarbonate apposite to riot shield applicationsJ.Plastics，Rubber and 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P.2015-11-04.21 宋焕成.混杂复合材料的研究与发展 J.航空制造工程，1991（7）：26-27.22 张博明，李嘉，李煦.混杂纤维复合材料最优纤维混杂比例及其应用研究进展 J.材料工程，2014（7）：107-112.23 高 峰.非 金 属 复 合 材 料 手 持 式 防 暴 盾 牌：201020159508.3 P.2010-12-08.24 李 仪 建.一 种 碳 纤 维 复 合 材 料 警 用 盾 牌：201922440056.X P.2020-08-04.25 程思学，杨丽敏.防弹盾牌成形工艺分析与压形模设计 J.模具工业，2007，33（6）：3.26 高源，赵春新，李培欣，等.一种全透明复合防暴盾牌及其制备方法：201310415493.0 P.2013-12-25.27 黄 新 历.一 体 式 防 暴 盾 牌：201220381445.5P.2013-03-27.28 SHAH S，KARUPPANAN S，MEGAR Y P，et al.Impact resistance and damage tolerance of fiber reinforced composites：a reviewJ.Composite Structures，2019，217：100-121.29 CHEON J，LEE M，KIM M.Study on the stab resistance mechanism and performance of the carbon，glass and aramid fiber reinforced polymer and hybrid compositesJ.Composite Structures，2020，234：111690.梳棉机盖板花异常的原因和控制措施梳棉机盖板能有效地排除黏附性较强的或带纤维的细小杂质、棉结、短绒等，同时盖板花中又含有大量的可纺纤维。盖板花出现异常，不仅直接影响生条质量，还会影响用棉量。影响盖板花异常的主要因素有以下几个方面。一是工艺隔距。上罩板的高低位置、上罩板上口与锡林隔距不一致，造成纤维转移不均匀，出现盖板花异常。二是针布锐度差。锡林针布、盖板针布、后固定盖板针布等锐度变差，造成针布对纤维的握持力出现差异，从而使盖板花异常。三是针布磨损状态差异。针布锋利度不同，盖板抓取纤维的能力有差异，导致盖板花异常。四是相对湿度。车间相对湿度较大时，纤维间抱合力大，易造成盖板花异常；车间相对湿度较小时，部分静电大的纤维间易集聚静电，会导致盖板花异常。针对上述分析，总结了盖板花异常的针对性控制措施，具体如下。合理配套针布，使齿密能够满足梳理要求；生产差别化纤维、涤纶的锡林针布，不易采用异形齿背，针高不易过矮。保证各部件上机工艺准确，及时维护和更换磨损差异大的活动盖板针布、锡林针布和后固定盖板针布。合理设计工艺，盖板花厚薄可通过调节前上罩板或后罩板与锡林的隔距及前上罩板或后罩板上口位置高低实现。合理控制车间相对湿度，针对静电大的纤维，充分加湿并保证回潮率，减少静电集聚引起的盖板花异常。光山白鲨针布有限公司 陈玉峰革新改造】【84