軟質(zhì)防彈材料現(xiàn)狀及防彈衣發(fā)展趨勢

從19世紀開始，伴隨著槍、炮更多的使用，刀、劍、弩等冷兵器逐漸淡出了戰(zhàn)爭的歷史舞臺，對個體的防護也逐漸從防刺（砍）等轉(zhuǎn)變?yōu)榉罉審棧ㄆ破┑膫?。個體防護材料則經(jīng)歷了從天然植物纖維到金屬材料再到高強度合成材料的發(fā)展。

在現(xiàn)代防彈材料的發(fā)展史上，1970年代至1980年代是具有里程碑的時期。 1972年美國杜邦公司推出了對位芳香族聚酰胺纖維商業(yè)化產(chǎn)品 ——凱芙拉（Kevlar）；1986年美國聯(lián)合信號公司得到荷蘭DSM公司專利許可后，開始以 Spectra為商標生產(chǎn)一種強度更高的纖維——超高分子量聚乙烯纖維。前者標志著防彈材料由硬質(zhì)向軟質(zhì)的轉(zhuǎn)變，改變了人們對防彈機理的認識，極大地拓展了防彈材料的空間；后者則加速了防彈材料向輕量化、舒適化的方向發(fā)展。

主要軟質(zhì)防彈材料

目前工業(yè)化、大規(guī)模生產(chǎn)的高性能纖維主要有對位芳香族聚酰胺纖維（芳綸纖維）、超高分子量聚乙烯纖維和炭纖維。廣泛用于防彈領(lǐng)域的是前兩種。芳綸纖維的比強度和比模量是鋼鐵的10倍，而超高分子量聚乙烯纖維的比強度又高出芳綸纖維1.5倍左右。單根纖維或束絲并不能起到防彈的作用，只有將纖維按一定的規(guī)律排列整合起來，才能有效地抵御槍彈或破片的侵襲。目前將纖維有規(guī)律整合起來主要有兩種途徑：機織布和無緯布。前者是通過織機進行編織，后者則是通過特殊的單向復(fù)合工藝制成。目前芳綸纖維防彈品種有機織布和無緯布兩種，而超高分子量聚乙烯纖維作為防彈材料多為無緯布。防彈纖維一直在向高強度、高模量、細旦化（旦——纖度單位，九千米長的纖維質(zhì)量為多少克，它的纖度就是多少旦——編者注）方向發(fā)展，纖維越細，制成的防彈衣越柔軟舒適。

對于芳綸纖維，杜邦公司從第一代的K29，到第二代K129、KM2，直至最近的警用防彈衣用超舒適性能防彈織物纖維Kevlar Protera，其纖維越來越細，強度越來越高。芬蘭阿克蘇·諾貝爾 (Akzo Nobel)公司的芳綸纖維，從第一代特維龍（Twaron)1000，發(fā)展到第二代特維龍 2000，直至特維龍CT超細纖維。該種超細纖維的使用，顯著提高了防彈性能，使其在市場競爭中處于有利地位。

對于超高分子量聚乙烯纖維，荷蘭DSM公司由SK60、SK65發(fā)展到SK75、SK76。聯(lián)合信號公司則有S900、S1000、 S2000等品種。

同種纖維，根據(jù)不同用途可選擇不同的編織工藝，制成的防彈布有的用于防破片，有的用于防鋼被甲彈頭，有的用于防銅被甲彈頭等等。

各公司都在發(fā)展不同的布種，以適應(yīng)不同的需要。以聯(lián)合信號公司為例，產(chǎn)品有Spectra Shield LCR和Spectra Shield Plus LCR、Spectra Flex和Spec tra Shield Plus Flex。Spectra Shield Plus系列比前者質(zhì)量減輕25%。另外，聯(lián)合信號公司將芳綸纖維和單向復(fù)合技術(shù)結(jié)合所生產(chǎn)的GoldFlex，則很適合防御鋼被甲彈頭。

其他軟質(zhì)防彈材料

在蘇聯(lián)時期，其芳綸材料大多用于軍工、航天領(lǐng)域，民用很少。但隨著蘇聯(lián)的解體和市場經(jīng)濟化程度的加深，目前這種材料逐步轉(zhuǎn)向民用市場。俄羅斯的芳綸纖維與凱芙拉和特維龍不同，屬于雜環(huán)芳香型聚酰胺。

俄羅斯的基礎(chǔ)研究廣而深，芳綸材料的性能與歐美同類產(chǎn)品相比占有優(yōu)勢，但產(chǎn)業(yè)化水平較低，產(chǎn)量小，目前正積極拓寬市場，增大產(chǎn)量。俄羅斯著名的卡門斯科化工聯(lián)合體正與中國合作，投資生產(chǎn)纖維和織物。相信不久的將來，中國市場會出現(xiàn)俄羅斯高性能芳綸防彈產(chǎn)品。

凱芙拉防彈布

芳綸布

GoldFlex防彈布

俄羅斯芳綸防彈布

聚苯并雙惡唑(PBO)纖維，其抗張強度和模量高出芳綸很多，素有“纖維之王”之稱。1999年日本以商標名Zylon推出PBO纖維，但隨著使用時間的延長，這種纖維的缺點暴露了出來。試驗表明：該纖維在低于100℃以下，或在普通日光照射下，性能會逐漸下降。尤其是美國塞肯德·昌斯（Second Chance）公司出現(xiàn)兩次Zylon防彈衣被擊穿的事件后，PBO纖維在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用更受到質(zhì)疑。阿克蘇·諾貝爾公司經(jīng)過10多年的努力，研制出一種新型剛性聚苯撐吡啶并咪唑的聚合物（簡稱M5），其性能超越芳綸。美國的瑪格蘭系統(tǒng)國際（Magellan Sys tems International）公司購買該專利，與美國陸軍共同開發(fā)其在防彈方面的應(yīng)用。

隨著生物技術(shù)和基因蛋白工程的發(fā)展，美、加科學(xué)家聯(lián)合利用轉(zhuǎn)換遺傳因子技術(shù)，開發(fā)出一種超高強度纖維生物鋼（Biosteel），其強度達到芳綸的3倍。此外還有炭納米管等新型防彈材料。

防彈材料的防彈機理

軟質(zhì)防彈材料，是由機織物經(jīng)過一定的縫制工藝固定在一起的，或是由無緯布多層疊合在一起。其防彈機理與硬質(zhì)防彈材料不同，后者更多的是利用自身的硬度，改變彈頭或破片的形狀，降低動能，起到防彈作用。纖維織物則主要是通過纖維的變形吸收投射物的能量從而達到防彈目的。當彈頭或破片擊中織物時，侵徹的方式有拉伸破壞和剪切破壞兩種基本機理。這兩種機理的發(fā)生主要與彈頭或破片的形狀、材質(zhì)、速度有關(guān)，頭部呈圓錐形的彈頭射入織物時，主要以拉伸破壞為主；而對于高速不規(guī)則的破片，則以剪切破壞為主。

彈頭擊中織物后，產(chǎn)生的應(yīng)變波分為縱向波和橫向波，主要累及被打擊的纖維，但縱向波的交接點可將應(yīng)力傳給輔助纖維，橫向波產(chǎn)生的位移也通過交接點使邊緣纖維承受傳來的應(yīng)力。彈道學(xué)試驗表明，40%～50%的能量被輔助纖維所吸收。這樣，織物的交接點越多，能量吸收就越多，防彈性能越好。因此防彈織物的編織方式較多地采用平紋，而非斜紋或緞紋。

近年來，美國采用一種新型編織法—— 多軸向鋪層系統(tǒng)。該編織法的特點是使鋪層結(jié)構(gòu)每層中的每根紗線可配置到精確的位置上，以達到給定方向的最大抗拉強度，或在各方向上都有相同的抗拉強度。采用這種編織法編織的防彈衣，質(zhì)地更柔軟，質(zhì)量更輕，防彈能力比普通機織物提高15%。

對于機織物，纖維在織機上編織過程中會受到損傷；另外，應(yīng)變波在織物面上傳播時，紗線的連接點會對應(yīng)變波進行反射，應(yīng)變波的疊加易造成紗線過度伸長而斷裂。DSM公司利用柔性單向復(fù)合材料技術(shù)制成的無緯布，解決了這一問題。無緯布消除了織物中的纖維屈曲，使應(yīng)變波的能量向外傳播得更快，進而顯著提高防彈性能。

軟質(zhì)防彈衣的發(fā)展趨勢

軟質(zhì)防彈衣主要由外套和防彈層組成。防彈衣在過去幾十年中一直伴隨著防彈材料的更新而發(fā)展。目前呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

品種、款式更趨多樣化

防彈衣按款式可分為隱蔽式、執(zhí)法式、戰(zhàn)術(shù)式、特警式和偵察式；按使用對象可分為步兵用、傘兵用、特種兵用、警察用和保安人員用?？钍讲煌瑢ζ湟笠泊笙鄰酵?。如防護面積小（只保護軀干關(guān)鍵部位）、貼身穿著的隱蔽式要求質(zhì)量輕；戰(zhàn)術(shù)式則要求防護面積大，不僅包括軀干，還要求對肩部、領(lǐng)部、襠部，甚至上臂進行防護，各部分之間采用模塊化設(shè)計，利用尼龍搭扣或插扣連接，便于拆卸和安裝。

外套材料不斷改進

防彈衣的外套由最初的純棉發(fā)展為滌棉，再到滌綸或錦綸。不僅其耐磨性、抗撕裂程度顯著提高，而且更適用于各種復(fù)雜環(huán)境。這樣，減少了由于外套破損導(dǎo)致內(nèi)部防彈層受損而影響防彈性能的情況發(fā)生。近來又對外套的阻燃性能提出要求，如諾梅克斯（Nomex）永久阻燃材料已用在防彈衣上；異型排汗纖維也已在隱蔽式防彈衣的貼身面廣泛使用，最常見的如庫美斯(Coolmax)T恤。另外韋爾克魯（Velcro）材料的使用，使防彈衣的質(zhì)量在人體軀干得以均勻分配，極大地提高了穿著者的機動靈活性。

防彈層保護套性能提高

由于防彈層的性能受濕度、紫外線的影響較大，很多防彈衣應(yīng)用保護套來保護防彈層，保護套不再是一種普通布套，而是一種具有防水（濕氣）和防紫外線功能的特殊保護層，可避免內(nèi)部防彈層受外界環(huán)境的影響，從而延長了防彈衣的使用壽命。

防彈層輕量化

輕量化、舒適化成為防彈層的發(fā)展趨勢。防彈層不再是防彈織物（或無緯布）的簡單疊加，而是根據(jù)投射物的運行軌跡和狀態(tài)進行防彈層不同層面的設(shè)計。美國斯穆拉（Simular）公司和塞肯德·昌斯公司生產(chǎn)的被稱作由特瑪（Ultima）的柔性人體護甲，厚度更薄，質(zhì)量減輕13%。

防彈衣功能多樣化

隨著使用環(huán)境的多變，防彈衣的功能也日趨多樣化。如傘兵要求防彈衣質(zhì)量輕，且能浮于水面；公路巡警要求防彈衣須有明顯反光標識，利于夜間執(zhí)勤；戰(zhàn)術(shù)背心則需要有各種配件，增加與其他裝備的適配性，以應(yīng)付緊急情況的發(fā)生。

美國阿梅科防彈衣（Armacel Body Armor）公司最新研制的超輕復(fù)合材料防彈衣，集中了防水、可浮于水面、防紫外線、防刺、防割和超強耐磨損等多項功能。

在我國，研制開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的防彈材料，擴大品種和產(chǎn)量，已經(jīng)成為一系列亟待解決的課題，而國內(nèi)優(yōu)質(zhì)防彈材料的推出，必將逐步扭轉(zhuǎn)嚴重依賴進口材料的局面，進而使我國軟質(zhì)防彈衣邁上一個新臺階。