防彈纖維的近況和技術(shù)進(jìn)展

防彈纖維材料有很多種，但迄今最常用的還是對(duì)位芳酰胺纖維（P-ARF）和超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維（UFMWPEF）。近年來(lái)這2種纖維在成形工藝技術(shù)上都有重大突破，使防彈產(chǎn)品進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化、高性能化和舒適化。聚苯并雙噁唑（PBOF）可通過(guò)分子結(jié)構(gòu)改性，改善其耐紫外光和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。芳雜環(huán)類的芳綸Ⅲ等系列產(chǎn)品，因成本高，主要用于國(guó)防軍工的防彈防爆領(lǐng)域。人造蜘蛛絲是氨基酸類的高度取向纖維，具有高強(qiáng)高模和高韌性，但尚未完全產(chǎn)業(yè)化。超高性能碳纖維的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)碳纖維因斷裂伸長(zhǎng)率小而不能用于防彈領(lǐng)域的概念，已開(kāi)始應(yīng)用于新型軍用防彈裝備，對(duì)提升先進(jìn)武器裝備具有重大意義。以下重點(diǎn)介紹主要防彈纖維的技術(shù)進(jìn)展。

一、對(duì)位芳酰胺纖維（芳綸Ⅱ）及其共聚纖維

圖1示出高強(qiáng)高模纖維的比拉伸強(qiáng)度和模量，可見(jiàn)芳綸Ⅱ及其共聚纖維僅次于UHMWPE和碳纖維，但耐熱性遠(yuǎn)超過(guò)UHMWPE，而抗沖擊強(qiáng)度超過(guò)碳纖維，其產(chǎn)能情況如表1所示。

在技術(shù)創(chuàng)新方面，帝人技術(shù)公司研究用10%左右的氮化硼或氮化鈦納米粉體，先用硅烷系或鈦系偶聯(lián)劑處理，然后加入聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺（PPTA）的紡絲溶液中，或PPTA與對(duì)亞苯基3、4-二苯氧基對(duì)苯二甲酸胺共聚后加入其中進(jìn)行干噴濕紡，所得纖維可提高防護(hù)性能，包括抗沖擊性、防刺性、耐切割性、耐熱性和阻燃性等。如果僅就以下2單體進(jìn)行共縮聚，并以（L）：（Ⅱ）的分子比（mol百分含量）為45∶55，然后干噴濕紡，所得纖維適合作安全網(wǎng)、防爆網(wǎng)等。

東麗·杜邦公司利用熱固性環(huán)氧樹(shù)脂的油劑浸漬PPTA纖維，含量約1%左右，然后利用計(jì)算機(jī)控制的處理機(jī)，在3.9N張力下于130℃熱處理20s，得到含6.5%水分的PPTA纖維復(fù)合體，再用酚醛膠乳（FRL）上膠并于150℃干燥、245℃熱處理60s后，拉伸強(qiáng)力為552N，與橡膠的粘合強(qiáng)度為172N/cm，適合于做軍車和子午胎的簾子布。

韓國(guó)可隆（Kolon）公司采用PPTA的端基交聯(lián)法，并通過(guò)將制得的PPTA樹(shù)脂粉化而降低粉粒大小，從而縮短萃取NMP（N-甲基吡咯烷酮）的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。經(jīng)在濃硫酸中干噴-濕紡，可制得強(qiáng)度高達(dá)26.4cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率≥3.8%的高性能的PPTA纖維，使其防彈背心、防彈板或頭盔實(shí)現(xiàn)輕量化和高性能化。

韓國(guó)曉星集團(tuán)將2～3層PPTA纖維平織布貼在熱塑性樹(shù)脂膜上，再與厚度為0.1～0.2mm聚氨酯（PU）膜共4～8層復(fù)合，可提高防切割手套的綜合性能和成本。

日本東麗-杜邦公司將總纖度440dtex、單絲纖度1.7dtex、拉伸強(qiáng)度2.0N/tex、含濕率7%的PPTA復(fù)絲進(jìn)行S捻，伸縮率22%。以纖度 117dtex、彈性率為530%的聚氨酯彈性絲為芯材，與上述紗線復(fù)捻，再用日本東洋紡株式會(huì)社生產(chǎn)的UHMWPE復(fù)絲〔總纖度440dtex，單絲纖度1.1dtex，強(qiáng)度2.7N/tex、導(dǎo)熱系數(shù)50W/（m·K）〕進(jìn)行Z捻制成包覆紗，可編織成26g/只的防切割手套，掌部為360g/cm2，富有伸縮性、手感好，接觸有冷感（qmax：0.17W/cm）、耐切割性（切割刀：6.5N）。日本東麗-杜邦公司開(kāi)發(fā)了蓬松性和伸縮性良好的Kevlar SD，適用于防護(hù)服和防切割手套，有利于操作工進(jìn)行電子產(chǎn)品的精密作業(yè)。美國(guó)南方袖套公司最近上了一條Kevlar防護(hù)袖套生產(chǎn)線，由單層或雙層長(zhǎng)10～24寸、寬3～4寸Kevlar織物制成，具有阻燃、不熔、耐磨、防切割性。

日本東麗-杜邦公司與瑞士聯(lián)邦材料試驗(yàn)和科研研究所合作開(kāi)發(fā)了裝有冷卻空調(diào)系統(tǒng)的新一代防彈背心，已取得瑞士警方認(rèn)證，熱天穿著也不會(huì)出汗。

帝人集團(tuán)利用Twaron UD22預(yù)浸布上下鋪有熱塑性樹(shù)脂膜，共2層制成層壓材料，它具有耐磨、防彈、并能滿足NIJ 0101.06防凸傷要求。

帝人集團(tuán)開(kāi)發(fā)了在室溫下可長(zhǎng)期保存的PPTA纖維預(yù)浸料，適用于裝甲車的防彈內(nèi)飾材料。

目前歐美的防彈制品需求量受軍費(fèi)縮減的影響，有所下降，而印度和南美等新興市場(chǎng)對(duì)防護(hù)材料的需求在增長(zhǎng)。香港理工大學(xué)的紡織與服裝學(xué)院采用數(shù)控針織機(jī)編織由預(yù)牽彈性復(fù)絲紗和鍍銅PU纖維布，表面再覆一層Kevlar布（圖2），就可制成抗拉、防水和防彈的集成電路板，用于軍工領(lǐng)域（圖3），圖4示出煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司生產(chǎn)的各種防護(hù)用品。

二、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維（UHMWPE）

表2示出全球主要UHMWPE生產(chǎn)廠家的產(chǎn)能，其中我國(guó)有20家，表中只列出幾家主要廠家的產(chǎn)能。

從UHMWPE纖維的總產(chǎn)能看，我國(guó)已成為世界產(chǎn)能最大的國(guó)家，但從單一公司的產(chǎn)能、產(chǎn)量及品種，我國(guó)公司遠(yuǎn)不及DSM公司，而且生產(chǎn)工藝技術(shù)也不如DSM先進(jìn)。

從生產(chǎn)工藝技術(shù)的演變，DSM集團(tuán)已完成由凝膠紡絲法向干法紡絲進(jìn)而向熔融紡絲法的過(guò)渡，而我國(guó)只有中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司采用干紡工藝，寧波大成新材料股份有限公司等企業(yè)正開(kāi)展熔紡技術(shù)的研發(fā)。

九九久與東華大學(xué)合作，開(kāi)發(fā)成功在UHMWPE凝膠液中添加納米石墨烯進(jìn)行凝膠紡絲的新技術(shù)，所制得的復(fù)合材料纖維強(qiáng)度≥40cN/ dtex、模量≥1 300cN/dtex，導(dǎo)熱系數(shù)和抗沖擊強(qiáng)度各提高10倍。

近年來(lái)DSM公司的最大成就在于對(duì)UHMWPE分子結(jié)構(gòu)的深入研究，實(shí)現(xiàn)了3種重大技術(shù)突破：

①開(kāi)發(fā)了Dyneema拉力倍增技術(shù)。從理論上分析，在UHMWPE紡絲時(shí)單分子所需的拉力為1.25nN，這意味著纖維所能達(dá)到的最大拉伸強(qiáng)度為6.9GPa，相當(dāng)于強(qiáng)度70cN/dtex，這是理論值，而目前采用該技術(shù)所生產(chǎn)的 SK99，其強(qiáng)度為42cN/dtex，這意味著將來(lái)可獲得更高性能的產(chǎn)品。由上述纖維制成的防彈產(chǎn)品，在達(dá)到同等防彈性能下，輕約30%，而且穿著更舒適，活動(dòng)更自如。

②采用Dyneema最佳工藝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)低蠕變纖維，由它制成的深海錨固繩索，在70℃下經(jīng)10個(gè)月的蠕變伸長(zhǎng)小于0.2%，相當(dāng)于在常溫下25年的蠕變水平。以往的UHMWPE繩每年的蠕變伸長(zhǎng)約為1%（圖5）。

③Dyneema Diamond（金剛石）技術(shù)，制備極高防切割纖維，制備可制得薄得多的防切割手套（圖6）而不降低性能水平，按EN388標(biāo)準(zhǔn)其防切割水平為3級(jí)。

上述3種新技術(shù)，在2014年德國(guó)Dresden召開(kāi)的ITMA未來(lái)材料頒獎(jiǎng)大會(huì)（圖7）上，榮獲3個(gè)大獎(jiǎng)。

在UHMWPE原料改進(jìn)方面，日本東曹株式會(huì)社利用茂金屬催化劑開(kāi)發(fā)了重均分子質(zhì)量/數(shù)均分子質(zhì)量為3的UHMWPE，而以往采用齊格勒催化劑者為8左右，因此強(qiáng)度可提高1.5～2倍。

在防彈用途方面，Bae System Tensylon H.P.M公司開(kāi)發(fā)了非纖維狀的UHMWPE帶，原料為數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量500萬(wàn)的UHMWPE粉體，結(jié)晶度>76%，熱熔>220J/g，在成帶機(jī)上擠成帶狀后反復(fù)輥壓、拉伸，使總拉伸倍率為120∶1，得到高取向度的19 000d（1 990tex）帶，適用于防彈產(chǎn)品。

霍尼韋爾國(guó)際公司采用纖度1 200d（132tex）的UHMWPE復(fù)絲紗，其特性粘度14dl/g，C軸取向函數(shù)0.99，起始強(qiáng)度41.35cN/dtex，捻度0.01捻/cm，經(jīng)拉伸，熔融，在22℃及55MPa壓力下于金屬板間進(jìn)行壓縮，得到平均橫截面比20∶1的帶子，強(qiáng)度3.6GPa，相當(dāng)于37cN/dtex，強(qiáng)度保持率89%，平織后交疊鋪層，在層間加入高密度PE帶進(jìn)行層壓，得到的復(fù)合材料對(duì)9倍1.9mmFMJ Parabellum子彈，具有500J·m2/kg比能量吸收。

另一種方法是將UHMWPE粉體壓制的Tensylon帶切割成絲條并拉伸，得到橫截面比為100∶1，強(qiáng)度為44cN/dtex（相當(dāng)于4.31GPa），DSC低溫區(qū)比<0.030的帶子，經(jīng)平織成織物并疊層之，得到實(shí)密度為1.5Kg/m2的復(fù)合材料，對(duì)9×19mm FMJ Parabellum子彈，至少具有500J·m2/kg的比能量吸收。

三、雜環(huán)芳酰胺類纖維（HPAMF）

目前只有俄羅斯和中國(guó)擁有該產(chǎn)品，前者有3處生產(chǎn)與研發(fā)基地，主要生產(chǎn)基地在石頭城的卡門斯基化工廠，我國(guó)有4家小型生產(chǎn)廠。圖8示出中國(guó)航天科工六院46所（以下簡(jiǎn)稱“航天46所”）生產(chǎn)的無(wú)緯布和防爆毯。

表3示出了HPAMF主要生產(chǎn)廠家的產(chǎn)能，可見(jiàn)無(wú)論是纖維品種系列化，還是產(chǎn)能與產(chǎn)品達(dá)到的水平，我國(guó)與之相比差距較大。

除用于火箭和導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等外，在防彈和軍工領(lǐng)域主要用于要求高抗沖擊和防彈、輕量及透波的應(yīng)用領(lǐng)域。

我國(guó)的十輪中型卡車駕駛樓的整體結(jié)構(gòu)，就用該（芳綸Ⅲ）復(fù)合材料制成，可在9m的近距離承受10發(fā)79沖鋒槍子彈的打擊，不但不穿透，凹陷度<15mm，而質(zhì)量可由原鋼制的780kg減至280kg。這種車輛可以8海里/h的速度，在江河湖海行駛，靠展開(kāi)的浮箱漂浮起來(lái)，每輛可承受60t坦克的負(fù)載，多輛這種車連成一體就構(gòu)成可移式的門橋，供軍車或坦克等通過(guò)。

用芳綸Ⅲ制作的復(fù)合材料天線罩，可滿足一級(jí)防彈要求即在300mm長(zhǎng)和250mm寬的范圍，可耐受子彈射擊。

四、聚苯并雙噁唑纖維（PBOF）

該纖維目前只有日本東洋紡獨(dú)家生產(chǎn)，商品名Zylon，產(chǎn)能400t/a。自多年前其防彈背心在美國(guó)2個(gè)州的執(zhí)法人員被子彈打穿斃命后，產(chǎn)能無(wú)增長(zhǎng)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其耐紫外光和儲(chǔ)存穩(wěn)定性，開(kāi)展了各種改性研究，但未見(jiàn)應(yīng)用于產(chǎn)品。我國(guó)至少有6家單位進(jìn)行研發(fā)，但尚未產(chǎn)業(yè)化。表4示出全球PBO的生產(chǎn)和研發(fā)廠家情況。

五、其他纖維

高強(qiáng)高模聚酰亞胺及其共聚纖維（PIMF），俄羅斯于90年代便已研發(fā)成功，強(qiáng)度、耐熱性、抗燃性和耐輻射性等優(yōu)于PPTA纖維，但成本較高。我國(guó)四川大學(xué)、東華大學(xué)、長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所和長(zhǎng)春鐵輪公司等都在研發(fā)，小試制得的強(qiáng)度最高達(dá)到22cN/ dtex。

人造蜘蛛絲，國(guó)內(nèi)外都在研發(fā)，最近荷蘭科學(xué)家利用蜘蛛絲和山羊乳研制出一種全新的防彈人造皮膚，即經(jīng)過(guò)基因改造后的山羊所產(chǎn)出的乳汁，含有跟蜘蛛絲相同的蛋白質(zhì)，將兩者混合后經(jīng)一定工序，可將蛋白質(zhì)分離出來(lái)，編織成一種新材料，硬度相當(dāng)于鋼鐵的10倍?？稍?周內(nèi)與人體皮膚融合，生長(zhǎng)出一層刀槍不入的“防彈皮膚”。

超級(jí)碳纖維（UGCF），CF是脆性材料，因其斷裂伸長(zhǎng)率只有0.5%～2.1%，而新近出現(xiàn)的超高強(qiáng)高模PAN-CF，不僅拉伸強(qiáng)度和模量各達(dá)到9GPa和350GPa以上，斷裂伸長(zhǎng)率高達(dá)2.5%～7.0%，因此其復(fù)合材料可用于超級(jí)防彈坦克、軍機(jī)、艦船、無(wú)人機(jī)等機(jī)構(gòu)材料，具有優(yōu)越的防彈性能。

六、結(jié)語(yǔ)

上述各種防彈纖維都是軍民兩用的重要材料，是我國(guó)重點(diǎn)支持發(fā)展的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目和擴(kuò)大應(yīng)用項(xiàng)目。在“十三五”期間，我國(guó)將支持2～3家芳綸Ⅱ企業(yè)和3～5家UHMMWPE纖維企業(yè)做大做強(qiáng)。芳綸Ⅲ要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；彤a(chǎn)品系列化，縮小與俄羅斯的差距。PBO、PIM、人造蜘蛛絲及超級(jí)碳纖維，要實(shí)現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，滿足國(guó)防軍工和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代的需要。