柔性個體防刺材料的淺析

徐玲玲　李亞濱

摘 要：介紹了柔性防刺材料的分類及特點，通過比較各種相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分析了其在研究和生產(chǎn)開發(fā)過程中需要面對的主要問題，并對柔性防刺服裝的未來作出展望。

關(guān)鍵詞：防刺材料；柔性；分類

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.183

0 引言

世界上的局部戰(zhàn)爭和暴力活動時有發(fā)生，防彈防刺服是戰(zhàn)爭和反恐活動中必不可少的裝備，能保護(hù)生命安全，維持士氣和戰(zhàn)斗力，是行動勝利的重要保障。很多國家槍支彈藥的管控非常嚴(yán)格，刀具的切割、刺和劃等是主要威脅，由此性能更加優(yōu)異的個體防刺裝甲成為國內(nèi)外的研究熱點。

依據(jù)材料的不同可將防刺服分為硬質(zhì)、半柔和軟質(zhì)三種[1]。硬質(zhì)防刺服以金屬材料作為護(hù)板；軟質(zhì)防刺服以高性能化學(xué)纖維織物為基質(zhì)，外部包敷一層其它織物；半柔防刺服以纖維和金屬復(fù)合材料作為護(hù)板[2]。不同的防刺材料及結(jié)構(gòu)，其防刺效果和防刺機理有很大區(qū)別。早期硬質(zhì)防刺服防性能十分優(yōu)秀，但質(zhì)量和剛性對活動和穿著舒適性有較大限制。而柔性防刺材料憑借其優(yōu)良的柔韌性和隱蔽性，帶動了國內(nèi)外研究機構(gòu)、各大院校及相關(guān)公司對其的研究和開發(fā)。

1 柔性防刺材料的類型及特點

高性能纖維是柔性防護(hù)材料主要原料，依靠機織材料、針織材料、非織造材料以及無緯布單獨或復(fù)合組成。通常為強柔性防刺材料的防刺性能，涂層和浸漬處理的方式也有應(yīng)用。

1.1 機織防刺材料

機織材料多是平紋組織或三維機織組織（圖1），也有少量緞紋組織。Du -Pont 公司在專利US 6323145種描述了以高強高模芳綸纖維為原料織造而成的具有交織結(jié)構(gòu)的織物（物圖2）。

機織物組織結(jié)構(gòu)相對緊密，帶有銳利尖端的器具很難刺入，其中高支高密平紋結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)。刀具刺穿過程中，一旦刺穿織物就變?yōu)榈度袑喚€的切割作用，紗線被刀刃割斷后，機織材料原本的經(jīng)緯紗線交織的結(jié)構(gòu)受到破壞，材料表面的刺穿點會突然擴(kuò)大成裂口，從而影響防刺性能。

1.2 針織防刺材料

針織防刺材料采用經(jīng)編結(jié)構(gòu)、緯編結(jié)構(gòu)或者三維組織結(jié)構(gòu)[3]（圖1），此外還有三維編織結(jié)構(gòu)。

針織物的柔軟性和自身的線圈結(jié)構(gòu)在面對尖銳武器刺入時，能有效吸收穿刺沖擊能。經(jīng)緯編織物在縱橫向由線圈串套而成，紗線連成一體，在刺入過程中，織物的線圈會發(fā)生滑移，紗線滑移導(dǎo)致相鄰線圈抽緊，隨著紗線滑動被抽緊的線圈增多，紗線間摩擦力增大，阻止被刺線圈擴(kuò)張的過程中會吸收一部分沖擊能，當(dāng)紗線無法滑動時，針織物變形達(dá)到“自鎖”狀態(tài)[4]。如果針織物結(jié)構(gòu)緊密，紗線剪切力足夠大，自身織表在此狀態(tài)前仍然沒有被剪斷，那么在此過程中沖擊能已被消耗大半。此外針織防刺材料的線圈結(jié)構(gòu)，也可以一定程度上裹滯銳器尖端。

1.3 非織防刺材料

非織造防刺材料以針刺成型為主，熱黏合及水刺成型也有應(yīng)用。為了達(dá)到規(guī)定的防刺能力，通常必須復(fù)合多層非織物，甚至可達(dá)十幾層。

非織造片材是通過短纖維或者纖維長絲經(jīng)過成網(wǎng)和固網(wǎng)工藝而形成的，屬于柔性纖維質(zhì)材料。不同的加工方式形成不同的結(jié)構(gòu)特征，隨著非織造技術(shù)的發(fā)展，在防刺領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。理論上非織造片材的成型方式使其在面內(nèi)各向同性，面對尖銳武器的刺穿有很好的防護(hù)作用，但在實際研發(fā)中發(fā)現(xiàn)，由于面內(nèi)纖維排列相對疏松，抱合力差，非織物抗刀刃刺割的能力不強。

1.4 無緯布防刺材料

無緯布是柔性單向（UD）復(fù)合材料片，一般用于防彈材料，防彈層可通過多層無緯布的疊加構(gòu)成。無緯布采用超高強高模聚乙烯纖維（UHMWPE）或是芳綸纖維單向平行排列，經(jīng)過熱塑性樹脂黏結(jié)成型后，再通過經(jīng)0°/90°正交層壓進(jìn)行復(fù)合（圖4），最終織物表面不存在交織點。

無緯布的最大優(yōu)勢是組織結(jié)構(gòu)中纖維不存在屈曲，彈擊或刀刺割的能量由接觸點向外傳播更快；其次，纖維沒經(jīng)過織造，不會產(chǎn)生彎折，纖維的抗拉強度、抗拉模量等力學(xué)性能保持率高，利于防護(hù)性能的提高。無緯布被廣泛應(yīng)用在防彈領(lǐng)域，在防刺中也有一定應(yīng)用。但在制造防刺服時，為達(dá)到其他防刺材料的防刺水平，硬度較高，不能滿足服用性能。

1.5 復(fù)合防刺材料

不同組織結(jié)構(gòu)的防刺材料的優(yōu)勢和不足可通過將材料復(fù)合來改善，機織物或針織物與非織造布復(fù)合是最常見的。緊密結(jié)構(gòu)的非織造防護(hù)材料質(zhì)量輕，面密度小，能有效防護(hù)尖銳道具的穿刺，與機織或針織材料復(fù)合增強了材料的抗剪切性。此外，纖維材料復(fù)合后再織成織物防刺性能也有效提高。纖維材料的復(fù)合是指將兩種或多種不同材料以不同方式組合成纖維制品，克服使用單一組分材料時的缺點，使材料的應(yīng)用范圍更廣。例如，芳綸纖維與UHMWPE纖維進(jìn)行復(fù)合，材料防護(hù)能力提高，染色性和手感也得到改善。

復(fù)合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性等特點，已逐步取代木材及金屬合金。復(fù)合材料的分類方法很多，按基體分類，可分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。其中樹脂基所占比重最大，并能有效防止氣候環(huán)境對纖維力學(xué)性能的影響，在刀具穿刺過程中，樹脂能防止紗線滑移和斷裂引起的裂口變大，提高材料的防刺性能。

1.6 剪切增稠液體（STF）無緯布防刺材料

剪切增稠液體（STF）是美國陸軍研究實驗室與特拉華州立大學(xué)合成物質(zhì)研究中心于2000年研制出的。STF是由分散相粒子和分散介質(zhì)組成， 是一種非牛頓力學(xué)行為可逆流體，在平衡狀態(tài)下，表現(xiàn)為分散膠體形式；在高速剪切力作用時， 其黏度急劇增加， 表現(xiàn)出固體行為。高性能防護(hù)材料在被STF浸滲后， 維持材料原有的防刺等級時，能一步減輕裝甲重量，顯著提高穿著舒適度。

防刺材料通過STF 浸漬后，銳利武器沖擊材料時，一方面是尖端刺入試樣， 沖擊力的作用下STF 增稠，使纖維間的摩擦力增大阻止尖端進(jìn)一步刺入；另一方面，STF 增稠后“粒子簇” [5]對銳利武器有一定的鈍化作用。

1.7 粉末涂層織物

涂層織物即表面涂覆薄膜的紡織品，能改變織物外觀和風(fēng)格， 賦予織物多種功能， 是國內(nèi)外當(dāng)今紡織工業(yè)發(fā)展的方向之一。日本帝人公司的Twaron SRM 就是粉末涂層織物的典型產(chǎn)品。

Twaron SRM選取PPTA纖維織物，在織物表面上用金剛石粉末或碳化硅粉末材料涂層。金剛石是目前在地球上發(fā)現(xiàn)的眾多天然存在中最堅硬的物質(zhì)，莫氏硬度值10，克氏顯微硬度10000kg/mm2，顯微硬度比石英高1000倍，比剛玉高150倍，碳化硅的硬度莫氏刻痕硬度為9.2，克氏顯微硬度為2200～2800kg/mm2。在刀具的穿刺切割過程中，涂覆的硬質(zhì)剛性粒子能夠磨蝕刀刃，使刀具鈍化變形，弱化了切割能力，難以再切斷纖維材料，阻止裂口加大和刀刃進(jìn)一步的破壞，從而有效防護(hù)。

2 柔性防刺材料現(xiàn)存的問題

2.1 標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題

我國現(xiàn)行的防刺標(biāo)準(zhǔn)中要求“不允許測試刀具刀尖的穿透”，對比國際上的其他防刺標(biāo)準(zhǔn)，我國對防刺產(chǎn)品的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國家。為了使生產(chǎn)的產(chǎn)品的防護(hù)能力符合標(biāo)準(zhǔn)，伴隨的就是產(chǎn)品舒適性差和成本更高。也使得執(zhí)法人員不能長時間的穿著防護(hù)產(chǎn)品，在民用更難得到發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)的約束還導(dǎo)致了防刺產(chǎn)品功能單一，防刺衣更是僅僅固著在防止利刃刺穿上。如能在在保證穿著和使用者的生命安全的基礎(chǔ)上，改良標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)降低防護(hù)級別，便會提高防刺服穿著舒適性和產(chǎn)品的功能性。

2.2 材料中存在的問題

防刺材料大類可分為金屬和非金屬，柔性防刺材料一般使用非金屬材料短纖緯無紡布或者無緯布，用改性樹脂涂覆制得。目前研究表明，子彈沖擊和銳利武器刺穿的過程，防護(hù)物理學(xué)機理并不相同，所以同一種防護(hù)材料沒有辦法兼具優(yōu)良的防彈性能和可靠的防護(hù)刀具刺穿的性能。為了功能多樣性，可采用不同優(yōu)勢的原料搭配取長補短，得到更優(yōu)異的防護(hù)性能，不過不同材料的自身特性不同，加工方式不同，也會給生產(chǎn)上帶來問題，因此要注重產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

改性樹脂涂覆防刺材料雖然有良好的防護(hù)作用，但樹脂復(fù)雜的成分非常有可能使防刺纖維材料在短于預(yù)期時間時就老化，產(chǎn)品無法在有效使用期內(nèi)保證應(yīng)有防護(hù)性能。選材沒有經(jīng)過大量試驗，造成了防刺材料的制品良莠不齊，直接導(dǎo)致防護(hù)服成衣在選材方面的困難重重。為了生產(chǎn)可靠的防護(hù)用具，在選材上要更為慎重，以此同時更需生產(chǎn)前通過大量的破壞性試驗手段來確?？煽啃?，這也無疑增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)投入成本。

3 發(fā)展趨勢

越來越多的研究者致力于防刺材料的開發(fā)和研究，防刺產(chǎn)品受到了極大關(guān)注的同時更得到了迅猛發(fā)展。主體為金屬的硬質(zhì)防刺材料或者是以纖維織物與金屬復(fù)合后制得的半硬半柔防刺材料因為重量大和舒適性差等缺陷，應(yīng)用只會越來越少，最終被徹底取代。

在節(jié)約成本和國家財政資金的角度上，兼具防彈和防刺的多功能防護(hù)服裝會逐漸成為執(zhí)法機構(gòu)裝備配備的最主要產(chǎn)品。不僅如此，隨著人們對于防護(hù)用具認(rèn)識的不斷加深，人們會逐漸改變防護(hù)用具一定要絕對安全的想法，轉(zhuǎn)而進(jìn)一步理解防護(hù)用具的有限防護(hù)的概念，更加追求防護(hù)用具的舒適程度和合適程度。防刺服的發(fā)展方向從原來的絕對可靠性向柔軟和輕質(zhì)轉(zhuǎn)變，追求更高的性能/質(zhì)量比。在重視程度不斷加大，發(fā)展迅猛的今天，最終一定會研發(fā)出新型、安全的防彈防刺服等防護(hù)產(chǎn)品或者更加有效的新材料。

參考文獻(xiàn)：

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