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纺织材料在军事上的应用——防弹衣
纺检086 何旭晖 0810110305

摘要 本文介绍软质防弹材料及其性能，论述软质防弹衣的防弹机理及其影响因素，最后对软质防弹衣的发展趋势进行展望。作为特种服装, 硬体防弹衣、软体防弹衣及软硬复合体防弹衣的防御性能与防御原理各有不同。未来的防弹衣不仅要有更有效的防御性, 还要轻便舒适, 这样, 开发新材料和优化结构就成为关键所在。
关键词 防弹衣；防御性能；防弹材料；防弹机理
引言
防弹衣是一种防止流弹或弹片伤害人体重要部位的特种服装,其外观与普通服装区别不大, 但内层特殊的材料及构造却能够在危急时刻抵御弹头, 保护值勤民警的生命。作为特种服装, 由于特殊的功能要求, 其防御性能是首要的, 而且, 防御性能很大程度上决定其活动性能、穿着舒适性等。不同种类的防弹衣性能也各不相同。武器的发展迫使人体装甲必须有相应的进步，作为一种重要的个人防护装备，防弹衣经历了由金属装甲防护板向非金属合成材料的过渡，又由单纯合成材料向合成材料与金属装甲板、陶瓷护片等复合系统发展的过程。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。
一 防弹衣的分类与等级
以防弹材料来分, 现代防弹衣有硬体、软体和软硬复合体三种。硬体防弹衣又称为增强型防弹衣, 防弹材料以特种钢板、超强铝合金等金属材料或者陶瓷等硬质非金属材料为主体, 这类防弹衣虽然可以更有效地起到保护作用, 但是柔软性较差, 比较笨重, 军警一般只在十分危险的情况下使用。软体防弹衣又称为轻质防弹衣, 防弹材料以高性能纺织纤维为主, 采用纺织品的结构, 重量轻, 并且具有相当的柔软性, 所以穿着舒适, 军警执行日常任务时多穿这类防弹衣。软硬复合式防弹衣以软质材料为内衬, 以硬质材料为面板和增强材料, 一定程度上集中了硬体、软体防弹衣的优势, 是现代防弹衣的发展方向。防弹衣以其防御能力分为七个等级。第一类防御能力最低, 第七类防御能力最强, 通常用其所能抵御的武器来描述。最低级别的防弹衣只能防御较小口径、威力不大的手枪的子弹。一些高级别的防弹衣可以防御火力较强的步枪。第一至第三类基本上都是软体防弹衣, 第四至第七类中包括硬体和复合型防弹衣。
二 防弹材料及其性能
防弹功能纺织品所使用的材料由原始的钢、锰钢合金发展到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（U H M W P E ）纤维，不但防弹材料有了很大突破，防弹的性能也在不断飞跃。
目前采用的软质防弹材料主要有以下几种：
70 年代初，凯夫拉（Kevlar）由美国杜邦公司研制成功，并很快在防弹领域得到了应用。它有极高的强度，是优质钢材的5～6倍，模量是钢材或玻璃纤维的2～3 倍，韧性是钢材的2 倍，而重量仅为钢材的1/5。且连续使用温度范围极宽，在-196℃至204℃范围内可长期正常运行。在150℃下的收缩率为0，在560℃的高温下不分解不熔化，并具有良好的绝缘性和抗腐蚀性，生命周期很长，因而赢得“合成钢丝”的美誉。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。随着Kevlar商业化的实现，Kevlar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。
1979 年荷兰DSM 公司生产的Dyneema（迪尼玛）纤维，是世界上第一种超高分子量聚乙烯纤维。与凯夫拉相比优异之处在于：强度更高，以单位粗细的纤维所能承受的拉力计算，超高分子量聚乙烯纤维根据工艺的不同，数值在30～40N 之间，而最好的以凯夫拉为代表的芳纶纤维仅为22N；质量更轻，超高分子量聚乙烯纤维比水还轻，其密度为0.97g/cm3，而芳纶纤维比水重，密度为约1.4g/cm3;化学稳定性更好，超高分子量聚乙烯纤维结构致密，具有很强的化学惰性，强酸碱溶液及有机溶剂对其强度没有任何影响；具有很好的耐气候老化性，经过日晒1500 小时后，纤维强度保持率仍然高达80％，而芳纶纤维一般只有40％；耐低温能力强，超高分子量聚乙烯纤维的使用温度可以低至－150℃，而芳纶纤维低至－ 30℃便失去防弹效能。除此之外，超高分子量聚乙烯纤维的耐磨、耐弯曲疲劳性能、张力疲劳性能也是现有高性能纤维中最强的。当然这种纤维的强度还和生产工艺水平有密切的关系。目前，荷兰在该纤维的生产工艺方面仍处于世界领先地位。其在当今的防护产品领域应用非常广泛。该材料已经被国内的很多防弹衣和防弹头盔生产商采用。
德国Twaron（特威隆）纤维。采用TEIJINTWARON 公司的Twaron CT Microfilainent（高强度微纤丝）材料制作的防弹衣,比同等防弹等级的用凯夫拉材料制作的防弹衣质量轻23％。这种材料通过大量的细纤维丝提高了吸收枪弹撞击能量的能力，防护效果明显。
三 防弹机理及其影响因素
1.防弹衣的防弹机理
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。
研究表明，软体防弹背心吸收能量的方式有以下五种：（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；（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；（3）热能：能量通过摩擦以热能的方式散发；（4）声能：子弹撞击防弹层后发出的声音所消耗的能量；（5）弹体的变形。为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”来概括。子弹击中防弹衣时，首先与之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或断裂，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，从而尽可能地降低了非贯穿性损伤。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彻力，是防弹的关键所在。
2. 影响防弹衣防弹效能的因素
（1）纤维材料用于抗冲击的纤维材料，其性能取决于纤维的断裂能及应力波传递的速度。应力波要求尽快扩散，而纤维在高速冲击下的断裂能应尽可能提高。材料的拉伸断裂功是材料抵抗外力破坏所具有的能量，它是一个与拉伸强力和伸长变形相关的函数。因此，从理论上说，拉伸强力越高，伸长变形能力也较强的材料，其吸收能量的潜力也越大。但在实践中，用于防弹衣的材料不允许有过大的变形，所以用于防弹衣的纤维必然同时具有较高的抵抗变形的能力，即高模量。纤维的细度细，则在纱中的相互抱合较为紧贴，同时受力也较为均匀，因而提高了成纱的强度。
（2）组织结构:用于软体防弹衣上的织物结构类型包括针织物、机织物、无纬布、针刺非织造毡等。针织物具有较高的延伸率，因而有利于提高服用舒适性。但这种高延伸率用于抗冲击会产生很大的非贯穿性损伤。另外，由于针织物具有各向异性的特征，导致了在不同方向上具有不同程度的抗冲击性。所以，尽管针织物在生产成本和生产效率方面具有优势，但它一般只适用于制造防刺手套、击剑服等，而不能完全用于防弹衣上。目前在防弹衣中应用较为广泛的是机织物、无纬布和针刺非织造毡。从理论上讲，要获取最好的抗冲击性能是采用单向的、没有交织点的材料即无纬布。无纬布是将纤维单向平行排列并用热塑性树脂粘结，同时将纤维进行层间交叉，并以热塑性树脂压制而成。子弹或弹片的大部分能量是通过使冲击点或冲击点附近的纤维伸长断裂而被吸收的，进而显著提高防弹性能。
四 防弹衣的发展趋势
1.品种、款式更趋多样化
防弹衣按款式可分为隐蔽式、执法式、战术式、特警式和侦察式；按使用对象可分为步兵用、伞兵用、特种兵用、警察用和保安人员用。款式不同对其要求也大相径庭。如防护面积小（只保护躯干关键部位）、贴身穿着的隐蔽式要求质量轻；战术式则要求防护面积大，不仅包括躯干，还要求对肩部、领部、裆部，甚至上臂进行防护，各部分之间采用模块化设计，利用尼龙搭扣或插扣连接，便于拆卸和安装。
2.外套材料不断改进
防弹衣的外套由最初的纯棉发展为涤棉，再到涤纶或锦纶。不仅其耐磨性、抗撕裂程度显著提高，而且更适用于各种复杂环境。这样，减少了由于外套破损导致内部防弹层受损而影响防弹性能的情况发生。近来又对外套的阻燃性能提出要求，如诺梅克斯（Nomex）永久阻燃材料已用在防弹衣上；异型排汗纤维也已在隐蔽式防弹衣的贴身面广泛使用，最常见的如库美斯（Coolmax）T 恤。另外韦尔克鲁（Velcro）材料的使用，使防弹衣的质量在人体躯干得以均匀分配，极大地提高了穿着者的机动灵活性。
3. 防弹层保护套性能提高
由于防弹层的性能受湿度、紫外线的影响较大，很多防弹衣应用保护套来保护防弹层，保护套不再是一种普通布套，而是一种具有防水（湿气）和防紫外线功能的特殊保护层，可避免内部防弹层受外界环境的影响，从而延长了防弹衣的使用寿命。
4. 防弹层轻量化
轻量化、舒适化成为防弹层的发展趋势。防弹层不再是防弹织物（或无纬布）的简单叠加，而是根据投射物的运行轨迹和状态进行防弹层不同层面的设计。美国斯穆拉（Simular）公司和塞肯德·昌斯公司生产的被称作由特玛（Ultima）的柔性人体护甲，厚度更薄，质量减轻13%。
5. 防弹衣功能多样化
随着使用环境的多变，防弹衣的功能也日趋多样化。如伞兵要求防弹衣质量轻，且能浮于水面；公路巡警要求防弹衣须有明显反光标识，利于夜间执勤；战术背心则需要有各种配件，增加与其他装备的适配性，以应付紧急情况的发生。
五 结语
防弹功能纺织品所使用的材料由原始的钢、锰钢合金发展到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（U H M W P E ）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，也改变了人们对防弹机理的认识，极大地拓展了防弹材料的空间，而且防弹的性能也在不断飞跃。随着科学技术的不断进步，防弹材料将显示其越来越强的生命力。

参考文献
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