防刺服的研究與發(fā)展現(xiàn)狀*

馮 浩 汪澤幸 何 斌 譚冬宜 楊婉秋

1.湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院，湖南 湘潭 411104；2.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

縱觀國內(nèi)外防刺服的發(fā)展過程可以看出,隨著科技的飛速發(fā)展，防刺服的結(jié)構(gòu)在不斷發(fā)展與優(yōu)化，已由早期的盔甲式防刺裝備，逐漸發(fā)展到當(dāng)前高強(qiáng)輕質(zhì)材料的應(yīng)用。本文概述了防刺服的分類與國內(nèi)外研究進(jìn)度，簡要介紹了防刺服用纖維材料、硬質(zhì)材料，以及防刺測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析了防刺服材料改進(jìn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，展望未來防刺服領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 防刺服的分類及發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)有的防刺服按其硬度差異大致可分為硬質(zhì)、半硬質(zhì)和軟質(zhì)防刺服3類。硬質(zhì)防刺服指采用硬質(zhì)材料制成具有特定形狀的防刺板或防刺塊，再將其按照設(shè)計要求規(guī)律排列制成的防刺服[1]。半硬質(zhì)防刺服的防刺主體相比硬質(zhì)材料更具柔韌性，這種防刺服由多層柔性高強(qiáng)纖維材料復(fù)合而成，內(nèi)部添加金屬等硬質(zhì)材料。軟質(zhì)防刺服由高性能纖維織物多層疊加而成，其組成材料較柔軟[2]。

1.1 硬質(zhì)防刺服

硬質(zhì)防刺服的主體防刺結(jié)構(gòu)通常采用金屬或陶瓷等硬質(zhì)材料制成，防刺層材料多呈板、塊狀緊密排列。防刺板或防刺塊間通過縫合、鉚接等方式連接在一起，這使得硬質(zhì)防刺服較厚重，穿著后人體活動靈活性受限。尤其是在早期，硬質(zhì)防刺服的結(jié)構(gòu)和構(gòu)成與古代士兵穿用的盔甲十分相似。第一次世界大戰(zhàn)時期，士兵穿用的防刺服多為采用金屬材料制成的全硬質(zhì)防刺服。盡管硬質(zhì)防刺服的防刺效果很好，但其剛性較大，不利于穿著人員的運動。目前，市面上常見的硬質(zhì)防刺服有龍之谷等公司生產(chǎn)的硬質(zhì)防刺服，其內(nèi)膽材料為圖1所示的小塊鎢鋼板片，這些鎢鋼板片按魚鱗狀緊密排列，通過縫合或鉚接連在一起。每件防刺面積約0.3 m2的防刺服，其質(zhì)量約為2.4～2.6 kg。盡管硬質(zhì)防刺服的服用靈活性差，但具備優(yōu)異的防刺、割、砍等性能，故目前仍在市場上占據(jù)一席之地。

圖1 鎢鋼板片

目前，硬質(zhì)防刺服的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案有很多。如，于春玲等[3]研究開發(fā)出一種采用魚鱗狀防刺材料(圖2)制成的硬質(zhì)防刺服。這種防刺服基于仿生學(xué)的設(shè)計原理，參照魚鱗排列和搭接方式設(shè)計制作。試驗表明，這種防刺服在達(dá)到防刺目的的同時，能夠盡可能地保持靈活的服用性能。

圖2 魚鱗狀防刺材料

此外，研究者還嘗試改變硬質(zhì)材料的幾何體形狀及排列方式設(shè)計防刺服。如，Howard等[4]將特定結(jié)構(gòu)的金屬幾何體置于非織造布等形式的防刺材料中，幾何體的底部相互連接。在遭遇刀具沖擊時，該結(jié)構(gòu)可改變刀具的運動軌跡，從而起到防刺作用。張克勤[5]通過添加硬質(zhì)片狀材料，實現(xiàn)了基布的防刺效果。其將正六邊形防刺片材按照蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)黏結(jié)在柔軟的基布上，這些正六邊形防刺片材相互間留有一定的間隙，從而使防刺服具有一定的彎曲性，便于人體活動。謝正權(quán)等[6]將特定形狀的防護(hù)模塊按一定規(guī)律排列在基布兩側(cè)，并通過雙面鉚接的方式將這些模塊固定在織物上，以實現(xiàn)防刺效果。Dong等[7]探究了樹脂片防刺材料的樹脂片形狀及排列方式對防刺效果的影響，通過對六邊形、圓形、三角形等不同形狀的樹脂片進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)在織物表面孔隙率相同的情況下，六邊形樹脂片的片間間隙最小，且六邊形排列可使間隙之間不連成直線，所得材料的防刺性能更穩(wěn)定。Yuan等[8]采用3D打印技術(shù)，將碳纖維和聚酰胺(PA)材料混合制成防刺板，所得防刺材料與金屬板相比，質(zhì)量減小了30%～40%。

1.2 半硬質(zhì)防刺服

半硬質(zhì)防刺服主要分為兩大類，一類是在防刺服中添加金屬圈、金屬片等具有一定柔韌性的硬質(zhì)材料，另一類為浸漬樹脂材料的防刺服[9]。相比于硬質(zhì)防刺服，半硬質(zhì)防刺服的面密度減小，柔軟性及靈活性提高，可穿戴性更好[10]。目前，市場上具有代表性的半硬質(zhì)防刺服有Warwick Mills公司的TurtleSkin MFA防刺服及重慶盾之王公司生產(chǎn)的半硬質(zhì)防刺背心等。

關(guān)于半硬質(zhì)防刺服制備方法的研究有很多。王越[11]使用相互勾連的金屬絲制作防刺服。其使用的金屬絲為一種螺旋狀長絲，通過長絲間的相互勾連織制金屬防刺層，所得防刺服比傳統(tǒng)的硬質(zhì)防刺服更輕質(zhì)、柔軟，且彎曲性能良好。Bachner等[12]將金屬絲制成相互嵌套的金屬環(huán)，再將金屬環(huán)置于防刺服夾層中實現(xiàn)防刺效果。杜玲玲等[13]采用含金屬絲的包芯紗制作防刺織物，其研究發(fā)現(xiàn)，紗線捻度的增大可提高織物的防刺性。另有一些學(xué)者對半硬質(zhì)防刺服用金屬硬質(zhì)材料的表面進(jìn)行防腐蝕處理，以增強(qiáng)半硬質(zhì)防刺服產(chǎn)品的耐久性。

浸漬樹脂類防刺服通常是將樹脂材料與基布相結(jié)合，通過樹脂的應(yīng)用提高基布的防刺效果[14]。盡管基布與樹脂結(jié)合后，樹脂材料能改善基布的防刺性能，但基布將變硬，且透氣性下降[15]。

目前，常用于防刺材料的樹脂有黏結(jié)性好且收縮率低的環(huán)氧樹脂；堅硬耐磨但韌性稍差的酚醛樹脂；耐沖擊且耐撕裂的沙林樹脂；成型后柔軟的聚丙烯酸酯和聚氨酯樹脂[16]。

Li等[17]在超高相對分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)無緯布浸漬樹脂的防刺試驗過程中發(fā)現(xiàn)，織物的防刺性能與織物的面密度和排列結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。Mayo等[18]使用熱塑性樹脂浸漬芳綸布，研究發(fā)現(xiàn)，樹脂可以很好地填充纖維間空隙，使其結(jié)構(gòu)更緊密；經(jīng)樹脂浸漬處理后，芳綸材料的靜態(tài)和動態(tài)防刺性能均優(yōu)于純芳綸織物。周厚勇等[19]將特定用量的混合樹脂涂覆在芳綸機(jī)織物兩面，再對涂有樹脂的基布進(jìn)行模壓、固化處理，制得防刺材料。黎國標(biāo)等[20]采用額外添加陶瓷顆粒的樹脂及稀釋劑混合的膠液浸漬基布，再對浸漬布進(jìn)行烘干處理，獲得一種柔軟的防刺材料。李亞濱等[21]將聚氨酯材料與芳綸織物結(jié)合，制得一種防刺材料，并對比了3種涂層方法對防刺材料防刺性的影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移涂層法制作的防刺材料比濕法涂層和干法涂層工藝制作的防刺材料防刺性更好；在芳綸織物正反兩面涂層制作的防刺材料具有更好的防刺效果；采用27層芳綸織物復(fù)合制成的防刺材料，可有效防止24.0 J的刀具能量的沖擊。許冬梅等[22]探討了采用無緯布制作的防護(hù)服的防護(hù)性能，發(fā)現(xiàn)采用無緯布制作防彈衣時，對纖維材料的要求較高，且材料強(qiáng)度越高，防彈效果越好；而用無緯布制作的防刺服，更多的是依靠黏結(jié)劑材料實現(xiàn)防刺，黏結(jié)劑用量越多，防刺服的防護(hù)效果越好，防刺效果與纖維材料強(qiáng)度之間并沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。馬飛飛等[23]采用注塑成型技術(shù)制備防刺材料。工程塑料以流動相形式對纖維集合體充分浸漬，在纖維集合體表面形成規(guī)則突起的特殊結(jié)構(gòu)；冷卻后，工程塑料將纖維集合體固化，從而實現(xiàn)將耐沖擊、耐穿刺的工程塑料與纖維集合體結(jié)合，達(dá)到防刺目的。

1.3 軟質(zhì)防刺服

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，很多新型優(yōu)質(zhì)合成材料相繼涌現(xiàn)。繼Kevlar材料面世后，很多高性能纖維陸續(xù)被開發(fā)。這些強(qiáng)度大而密度小的高性能纖維對柔軟輕質(zhì)防刺服的研發(fā)有著巨大的推進(jìn)作用。目前，實驗室制作的面積為0.3 m2的軟質(zhì)防刺服，其質(zhì)量約為1 kg，相比硬質(zhì)防刺服減輕很多。當(dāng)前市場上具有代表性的軟質(zhì)防刺服有美國Cirminology公司生產(chǎn)的針織防穿透背心，北京君安公司生產(chǎn)的高相對分子質(zhì)量聚乙烯防刺服等。

軟質(zhì)防刺服的織物類型包括機(jī)織物、針織物、無緯布及非織造布等。其中，機(jī)織物結(jié)構(gòu)較緊密，工藝上多采用高密度平紋組織結(jié)構(gòu)制作防刺織物。這種結(jié)構(gòu)的防刺織物中紗線間排列緊密，刀具難以輕易刺入防刺材料，但機(jī)織物一旦被割破，紗線間的緊密結(jié)構(gòu)將遭破壞，刺割裂口可能會突然變大，影響防刺性[24]。針織物具有特殊的線圈結(jié)構(gòu)，在刀具刺入過程中，被刺入的線圈產(chǎn)生移動變形，同時帶動周圍線圈移動變形。紗線間的滑移摩擦可消耗刀具的能量，同時線圈在移動過程中包緊刀具，可阻礙刀具進(jìn)一步刺入[25-26]。無緯布多用于防彈衣制作，采用無緯布制作的防刺服硬度較大。非織造布防刺材料纖維間的排列疏松，抱合力差，但抗剪切性好，通常將其鋪放在其他防刺材料中間使用。

郭靜荷[27]將采用高性能纖維編織而成的針織物與結(jié)構(gòu)更為緊密的非織造布組合，制成不同結(jié)構(gòu)的防刺服。研究發(fā)現(xiàn)，針織物的特殊結(jié)構(gòu)使其具有很好的能量吸收效果，線圈間的互相作用和紗線的滑移可很好地包裹刀具，有利于防刺。將針織物置于防刺材料的上層，非織造布置于底層，可以在有效利用針織物防刺特點的同時，利用非織造布結(jié)構(gòu)有效減少刀具的刺穿深度。李麗娟等[28]在研究經(jīng)編針織物的防刺性能時，對比了UHMWPE纖維織造的經(jīng)編單面織物、機(jī)織物及非織造布的準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能，發(fā)現(xiàn)針織物防刺性能更好。張卓等[29]在柔性個體防護(hù)材料抗穿刺性能的試驗研究過程中發(fā)現(xiàn)，緯編雙軸向多層襯紗結(jié)構(gòu)的織物的結(jié)構(gòu)疏松，刀刃容易穿過織物中紗線間的間隙并刺穿防刺材料，進(jìn)而割斷紗線，故無法單獨用作防刺材料。鐘智麗等[30]探究了三維機(jī)織物的防刺效果，發(fā)現(xiàn)三維機(jī)織物由于具有一定的厚度且紗線間結(jié)構(gòu)緊密，在動態(tài)刺割測試中表現(xiàn)出良好的防刺性能。其中，面密度為4.66 kg/m2的單經(jīng)雙緯鎖心三維機(jī)織物在承受24.0 J的刀具能量沖擊時，織物僅被刺破一個微小的孔洞。

目前，市場上還出現(xiàn)了一種液體防刺服。這種防刺服由剪切增稠體(STF)與機(jī)織物、非織造布等基布復(fù)合后制成[31]。通常情況下，STF呈液態(tài)，然而，當(dāng)其受到瞬間沖擊作用時，其將在超過臨界剪切速率或應(yīng)變下轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞虘B(tài)物質(zhì)[32]；當(dāng)外界沖擊作用消失后，它又復(fù)原到起初的液態(tài)。因STF的這一特點，將其與織物復(fù)合，可得到柔韌性好的防刺服。目前，在實際應(yīng)用中，因剪切增稠的防刺效果有限，故多采用STF處理防刺材料，以提升防刺材料的防刺性[33]。

Sun等[34]探究了浸漬STF的UHMWPE織物的防刺性能，發(fā)現(xiàn)浸漬STF后UHMWPE織物的耐刺穿性能大幅提高；隨著STF中納米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，UHMWPE織物的抗刺穿性能提升；在同等防刺效果下，STF處理后的UHMWPE織物柔軟性更好；在針狀物刺穿試驗中，經(jīng)含納米SiO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%)的STF 處理的8層 UHMWPE復(fù)合材料，其防刺效果與未經(jīng)STF浸漬處理的16層 UHMWPE織物相當(dāng)。Lee等[35]使用含有SiO2顆粒的STF浸漬芳綸平紋機(jī)織物，發(fā)現(xiàn)織物防刺效果增加，同時未對織物的柔軟性產(chǎn)生破壞。此后，STF用于防刺領(lǐng)域的研究越來越多，研究者分別就分散介質(zhì)的種類、大小及其在分散劑中的占比等進(jìn)行了系列試驗研究。Zhao等[36]使用半徑不等的SiO2配制STF，并采用所得STF處理芳綸織物，探討了SiO2粒子大小對材料防刺性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著SiO2粒子半徑的增大，錐狀物刺入處理后芳綸織物的深度減小，材料的防錐刺效果增強(qiáng)。俞科靜等[37]將非織造布浸漬在STF中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用兩種分散介質(zhì)混合浸漬處理防刺織物時，所得復(fù)合織物的防刺性比單一分散介質(zhì)浸漬處理的復(fù)合織物的防刺性好。其研究還發(fā)現(xiàn)，分散介質(zhì)的相對分子質(zhì)量不宜過大，否則STF易變質(zhì)成固體。Gürgen等[38]發(fā)現(xiàn)，相比用單相STF浸漬的織物，用不同粒徑碳化硅粒子制成的多相STF浸漬的織物防刺性能更好。范佳慧等[39]使用納米SiO2材料制作STF，發(fā)現(xiàn)隨著STF中SiO2粒子用量的增加，剪切臨界黏度隨之增大，經(jīng)STF處理的滌綸織物的防穿刺性能增強(qiáng)；將經(jīng)STF(納米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%)處理的織物多層疊加并測試其防刺性能，發(fā)現(xiàn)第四層織物的穿孔直徑僅為0.5 mm。

2 防刺服用纖維材料

目前，國際上應(yīng)用較多的防刺服用纖維材料通常為具有高強(qiáng)高模等特性的高性能纖維，市場上較常見的是UHMWPE纖維和芳綸[40-41]。

表1對比了一些常用于個體防護(hù)領(lǐng)域的高性能纖維的性能。由表1可以看出，芳綸和UHMWPE纖維的性能良好，其斷裂強(qiáng)度、模量較高，斷裂伸長率、密度較小。

表1 高性能纖維的性能對比

3 防刺服用硬質(zhì)材料

金屬、陶瓷等硬質(zhì)材料常用于防刺織物的制作。高硬度的硬質(zhì)材料可在受刀具沖擊時，通過自身硬度直接抵抗刀具，阻礙刀具的切割作用。因此，硬質(zhì)材料的硬度對防刺織物的性能有著直接的影響。材料硬度越大，制成的防刺織物其防刺效果越好。硬質(zhì)粒子的選擇范圍較廣，常用的硬質(zhì)材料有碳化硅、氮化硼、氧化鋁、碳化鈦、碳化鎢等[42-43]。一些常見硬質(zhì)材料的密度和硬度對比如表2所示。

表2 一些常見硬質(zhì)材料的密度和硬度對比

由表2可知，目前硬度最大且密度較小的硬質(zhì)材料是金剛石，其次是立方氮化硼，再者是碳化硼。盡管金剛石和立方氮化硼均具有硬度大、密度小的優(yōu)良特點，是制作防刺服的絕佳材料，但這兩種材料價格較高，不適于實際生產(chǎn)應(yīng)用。碳化硼是硬度次于這兩種材料的高硬度材料，且密度在各種硬質(zhì)材料中相對較小，因此其更適宜于實際應(yīng)用。

4 常用防刺測試標(biāo)準(zhǔn)

目前，國際上有關(guān)防刺的測試標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種，一種是美國的NIJ-0115.00標(biāo)準(zhǔn)，另一種是英國的PSDB標(biāo)準(zhǔn)。我國在參考了美國和英國的防刺標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，制定了GA 68—2019《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)[44]。上述防刺標(biāo)準(zhǔn)中均采用質(zhì)量為2.4 kg的刀具，以規(guī)定能量自由落體刺割防刺材料，基于織物被穿透情況評估其防護(hù)性能[45]。其中，我國的防刺標(biāo)準(zhǔn)將防刺服按照使用場合劃分為兩個類別，但僅以刀具是否刺穿防刺材料判斷防刺性能是否合格，不評價防刺等級；美國和英國的防刺標(biāo)準(zhǔn)則將防刺能力劃分為3個級別，不同防刺等級的沖擊能量及允許穿透深度如表3所示。

表3 不同防刺等級的沖擊能量及允許穿透深度

5 結(jié)語

當(dāng)前市場上的防刺服主要有硬質(zhì)、半硬質(zhì)和軟質(zhì)防刺服3類。硬質(zhì)防刺服的防刺效果好，但服用靈活性差，相關(guān)研究多集中在硬質(zhì)材料的輕量設(shè)計、形狀設(shè)計及防刺板塊的排列組合上。半硬質(zhì)防刺服在確保有效防護(hù)的同時，兼顧服用性能。近些年，有關(guān)浸潤樹脂材料制成的半硬質(zhì)防刺服的研究較多。超高相對分子質(zhì)量聚乙烯和芳綸因具有高強(qiáng)、高模、低密度、低伸長等優(yōu)異特性，成為軟質(zhì)防刺服研究的主要纖維材料。

在防刺服用硬質(zhì)材料中，碳化硼的硬度高、價格低，表現(xiàn)出較高的應(yīng)用價值。就常用的防刺測試標(biāo)準(zhǔn)而言，我國采用的GA 68—2019《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)相較于美國和英國的標(biāo)準(zhǔn)，缺少對防刺等級細(xì)分的規(guī)定，這亟待相關(guān)學(xué)者深入研究，并在未來的標(biāo)準(zhǔn)更新中補(bǔ)充修訂。