防彈防刺面料研究概況*

閆衛(wèi)星 郭艷文 陳紅霞 曹海建 黃曉梅

南通大學 紡織服裝學院，江蘇 南通 226019

近年來，國際局勢瞬息萬變，局部戰(zhàn)爭不斷爆發(fā)，如巴以沖突、阿富汗政權(quán)變動等類似事件時有發(fā)生；國內(nèi)方面，我國雖然實行嚴格的槍支管制措施，但是匕首、刀具威脅事件仍時有發(fā)生。這些都促使人們重視個人防護和公共安全問題，且對防護產(chǎn)品的性能提出了更加嚴苛的要求[1]。

防彈防刺服用材料經(jīng)歷了從金屬材料到陶瓷材料，再到高性能纖維增強復合材料的更新?lián)Q代過程。其中，高性能纖維增強復合材料相比金屬材料和陶瓷材料，前者具有密度低、比吸收能高、比強度和比模量大等優(yōu)點，是實現(xiàn)防彈防刺服輕量化、一體化至關(guān)重要的一種材料。眾多學者已針對高性能纖維增強復合材料的防彈、防刺性能展開研究[2]1-6,[3]。但防刺和防彈的作用機理并不同，僅單一結(jié)構(gòu)的裝備不能同時發(fā)揮防彈和防刺的作用。以公安人員面對歹徒為例，他們無法提前預知歹徒所持的兇器，若此時穿著不合適的防護裝備則會埋下意外受傷害的隱患[4]36-40。因此，兼具防彈和防刺性能的防彈防刺面料成為了重點研究的對象。當前，關(guān)于防彈防刺服的相關(guān)文獻較少，本文將從纖維、織物結(jié)構(gòu)、力學性能、防彈性能、防刺性能、防護機理及相關(guān)標準等方面，介紹防彈防刺面料的研究概況，以期為防彈防刺服的研究提供幫助。

1 防彈防刺面料用纖維

進入21世紀以來，一批高性能纖維如芳綸、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)纖維、聚對苯撐苯并二噁唑(PBO)纖維等因高強度、高模量、耐高溫等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于防護領(lǐng)域[5-6]。

1.1 芳綸

防彈防刺面料用芳綸多為芳綸II (聚對苯二甲酰對苯二胺纖維)和芳綸III(雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維)[7]。芳綸II產(chǎn)品主要有美國杜邦公司生產(chǎn)的KEVLAR纖維和日本帝人集團生產(chǎn)的TWARON 纖維等[8]；芳綸III產(chǎn)品主要有俄羅斯特威爾化纖公司生產(chǎn)的ARMOS 纖維和俄羅斯卡門斯克化纖公司生產(chǎn)的 RUSAR纖維等。芳綸II的纖維模量是玻璃纖維的2～3倍，比強度是鋼絲的6倍、玻璃纖維的3倍，密度僅約為玻璃纖維的1/2，但其耐光性能差，芳綸II經(jīng)紫外光照射后力學性能下降[9]。與芳綸II相比，芳綸III的力學性能更加優(yōu)異，其所含雜環(huán)結(jié)構(gòu)有利于纖維與樹脂之間形成良好的界面，故利用芳綸III制備的防彈材料其防彈性能較芳綸II制備的更優(yōu)異[10]。

1.2 UHMWPE纖維

UHMWPE纖維具有優(yōu)良的力學性能，其比強度和比模量高于KEVLAR纖維，抗沖擊性能優(yōu)于碳纖維，對應(yīng)力波的傳播速度更快，且耐化學性和生物相容性好，密度小，但其熔點低，不耐高溫，最高使用溫度不能超過120 ℃[11-13]。

UHMWPE纖維最先是由荷蘭DSM公司通過凝膠紡絲法制得的[14]。我國目前也已有多家公司能夠自主生產(chǎn)UHMWPE纖維，且申請了相關(guān)專利。

1.3 PBO纖維

PBO纖維被譽為“21世紀超級纖維”，其具有杰出的力學性能，模量高達280 GPa、強度高達5.8 GPa，且阻燃性、耐熱性和絕緣性優(yōu)異，質(zhì)地柔軟，密度小，耐氧化性能及化學穩(wěn)定性好，但耐光老化能力極差(不及芳綸)，纖維表面光滑且惰性大，纖維與涂層結(jié)合力較弱[15-16]。

1.4 混雜纖維

當單一纖維不足以滿足人們對材料性能的要求時，混雜纖維是獲得防彈、防刺性能材料的一種重要途徑。曲一等[17]提到，由于防彈與防刺的機理不同，且單一材料較難兼具良好的防彈性能和可靠的防刺性能，故可通過混雜的方式實現(xiàn)材料的防彈、防刺性能。周杰才等[18]提到，將UHMWPE纖維和KEVLAR纖維混雜可實現(xiàn)防彈性能與防刺性能的兼顧。季小強等[19]對復合材料中3種纖維織物的鋪層順序進行了設(shè)計，并測試了復合材料的彈道極限速度和吸收能量，發(fā)現(xiàn)厚度方向上纖維織物的混雜能夠提高復合材料的防彈性能。Bao 等[20]在復合層合板厚度方向上混雜碳纖維和芳綸，即以碳纖維復合材料作為迎彈面、芳綸纖維復合材料作為背彈面，發(fā)現(xiàn)復合層合板的防彈性能優(yōu)于純碳纖維復合材料和純芳綸復合材料。Cheon 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維鋪層于表面、芳綸纖維鋪層于背面的碳/芳雜化復合材料，其防刺性能優(yōu)于單一碳纖維復合材料。

2 防彈防刺面料用織物結(jié)構(gòu)

織物結(jié)構(gòu)對防彈防刺面料的防彈、防刺性能有著重大的影響。目前，防彈防刺面料常用的結(jié)構(gòu)有二維機織結(jié)構(gòu)、三維機織結(jié)構(gòu)、單向(UD)結(jié)構(gòu)、針織結(jié)構(gòu)及復合結(jié)構(gòu)等。

2.1 二維機織結(jié)構(gòu)

二維機織結(jié)構(gòu)是防彈防刺面料常用的織物結(jié)構(gòu)。其中，平紋組織是首選[22-23]，這與平紋組織相較于其他組織具有更緊密的結(jié)構(gòu)、更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和更優(yōu)異的能量吸收效率有關(guān)[24-25]。Koohestani等[26]研究發(fā)現(xiàn)，機織物中紗線的屈曲程度會影響機織物對能量的吸收及其防彈性能。卷曲結(jié)構(gòu)多的機織物在彈道碰撞過程中，所含紗線完成拆解需要更多的時間，但實際上紗線在達到充分伸展之前就已發(fā)生斷裂，這不利于能量的吸收。周熠等[27]研究發(fā)現(xiàn)，平紋織物中紗線間的摩擦性能會影響織物對能量的吸收及其防彈性能，且隨著紗線間摩擦因數(shù)的增加，平紋織物對能量的吸收呈先增加后減小的趨勢，故紗線間存在一個最佳摩擦因數(shù)。

二維機織結(jié)構(gòu)在防刺材料上的應(yīng)用時間最早，其中平紋組織織物因組織點多,結(jié)構(gòu)較為緊密,紗線不易產(chǎn)生滑移,厚度相對較薄,質(zhì)量較小等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于防刺材料中[28]。李聃陽等[29]探究了織物組織結(jié)構(gòu)對芳綸復合織物抗刀刺性能的影響，發(fā)現(xiàn)平紋芳綸復合織物的抗刀刺性能比斜紋芳綸復合織物的好，這與平紋組織織物擁有更多的交織點、結(jié)構(gòu)更為緊密有關(guān)。

2.2 三維機織結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)二維機織物不同，三維機織物在厚度方向上通過添加捆綁紗(即Z紗)增強了織物的層間聯(lián)系，實現(xiàn)了多層紗線的捆綁，并形成了一個整體，織物的剪切強度和抗沖擊性能提高[30]。與利用二維機織物制備的復合材料相比，利用三維機織物制備的復合材料具有不易分層、抗蠕變、層間強度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計性強等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于軍工、國防和建筑等領(lǐng)域[31]。張永革等[32]研究發(fā)現(xiàn)，三維正交機織物復合材料的能量吸收值遠大于層壓復合材料的，原因主要在于材料的抗沖擊性能與其厚度及厚度方向上存在的紗線有著密不可分的聯(lián)系。

優(yōu)良的力學性能使得三維機織物在防刺材料中具有很大的優(yōu)勢。鐘智麗等[33]及葉明琦[34]研究發(fā)現(xiàn)：三維機織物密度越大、排列越緊密，其防刺效果越好；相同織造工藝條件下，紗線捻度增加，則三維機織物的防刺性能表現(xiàn)出增強的趨勢；與三維高密UHMWPE織物相比，三維高密KEVLAR織物的防刺性能更優(yōu)異。

2.3 UD結(jié)構(gòu)

KEVLAR、UHMWPE等高性能纖維與熱塑性樹脂復合制備的UD結(jié)構(gòu)織物，既具有優(yōu)良的力學性能，又具有良好的動能吸收性，且防彈性能優(yōu)異。UD結(jié)構(gòu)是目前防彈織物采用較多的一種結(jié)構(gòu)[35]。如今，隨著水性膠黏劑技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)工藝的改進，UD布也已逐漸被應(yīng)用到防刺產(chǎn)品中[36]。虎龍等[37]、許東梅等[38-39]研究發(fā)現(xiàn)，采用UD結(jié)構(gòu)的防彈防刺服可以較好地兼具防彈和防刺性能。Zhang等[40]研究發(fā)現(xiàn)，在熱壓固化法制備的分別由單向預浸料、二維平紋織物和三維正交織物增強的UHMWPE復合層合板中，單向預浸料增強的UHMWPE復合層合板的防彈性能最優(yōu)。

UD布的防彈、防刺性能與其中的樹脂含量、樹脂種類及纖維展絲寬度等因素有關(guān)。馬華菁等[41]研究發(fā)現(xiàn)，樹脂含量過低會導致纖維之間的黏結(jié)力降低，纖維結(jié)構(gòu)松散，這不利于纖維協(xié)同作用的發(fā)揮和對應(yīng)力的傳播；樹脂含量過高會導致纖維受到的束縛力過強，纖維“塑化”并易發(fā)生脆性斷裂，無法發(fā)揮自身的強度，材料防彈性能降低。吳中偉等[4]36-40研究發(fā)現(xiàn)，樹脂種類不同，UD布性能也不同。硬度高的樹脂有利于UD布防刺性能的提高，但防彈性能會有所降低。方心靈等[42]研究發(fā)現(xiàn)，當芳綸UD布中纖維展絲寬度為(2.5±0.5)cm時,靶片防彈性能較優(yōu)。

2.4 針織結(jié)構(gòu)

針織物具有良好的可變形性，其服用性能優(yōu)異，故針織結(jié)構(gòu)是柔性防刺材料中常用的織物結(jié)構(gòu)形式。李麗娟等[43]研究發(fā)現(xiàn)，采用UHMWPE纖維制備的經(jīng)編針織物的準靜態(tài)防刺性能比其機織物的更好。緯編針織物具有優(yōu)良的沖擊能量吸收性[44]。當?shù)都饨佑|緯編針織物時，織物中的線圈可以阻礙刀尖的移動，消耗刀具的能量，從而使織物具有一定的防刺性能。李寧等[45]研究發(fā)現(xiàn)，相較于緯平針組織織物和畦編組織織物，羅紋組織織物的防刺性能最好。

2.5 織物結(jié)構(gòu)的復合

織物結(jié)構(gòu)的復合是提高防彈防刺面料防彈、防刺性能，減小防彈防刺面料質(zhì)量的途徑之一。袁子舜等[46]對UHMWPE纖維制備的平紋織物和UD布進行鋪層順序設(shè)計，并制成靶板，發(fā)現(xiàn)平紋織物和UD布的鋪層順序?qū)Π邪宓姆缽椥阅苡休^大的影響，且迎彈面為平紋織物的靶板其防彈性能比背彈面為平紋織物的靶板的更好。吳道正等[47]研究發(fā)現(xiàn)，采用機織結(jié)構(gòu)與非織造結(jié)構(gòu)交替鋪層方式制備的防刺服，與單一結(jié)構(gòu)的織物制備的防刺服相比，前者能在滿足防刺性能要求的同時，兼顧質(zhì)量、厚度、舒適性等要求。高曉清等[48]研究發(fā)現(xiàn)，利用機織結(jié)構(gòu)和UD結(jié)構(gòu)制備的復合材料實現(xiàn)了防彈、防刺性能的兼顧。

3 防彈防刺面料的力學性能

防彈防刺面料的力學性能主要包括拉伸性能、彎曲性能、剪切性能等，已有學者從纖維、織物、樹脂等角度對防彈防刺面料的力學性能進行了探究。

不同種類的纖維力學性能各異，故制成的防彈防刺面料力學性能不同。Bao等[20]研究發(fā)現(xiàn)，芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的拉伸強度低于碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的，而斷裂伸長率高于碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的。不同結(jié)構(gòu)的織物中纖維排列方式不同，這也將導致不同結(jié)構(gòu)織物制備的防彈防刺面料在不同方向上力學性能有差異。陳利等[49]研究發(fā)現(xiàn)，在三維機織復合材料中加入襯經(jīng)紗，能提高三維機織復合材料的經(jīng)向拉伸性能、壓縮性能及彎曲性能。樹脂含量，以及樹脂與紡織材料間的界面性能，也是影響防彈防刺面料力學性能的重要因素。樹脂含量過高將導致紡織材料含量降低，紡織材料能承擔的載荷減少，防彈防刺面料力學性能下降；樹脂含量過低將影響樹脂與紡織材料間的界面性能，導致樹脂無法很好地傳遞載荷，防彈防刺面料力學性能下降。易凱等[50]研究發(fā)現(xiàn)，芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料層合板在最佳樹脂含量時綜合性能最好。孫春鳳等[51]研究發(fā)現(xiàn)，纖維增強樹脂基復合材料中樹脂含量過高或過低，都將無法最大限度地發(fā)揮復合材料的力學性能和耐沖擊性能。

4 防彈防刺面料的防彈性能

防彈防刺面料的防彈性能包括抗侵徹性能和抗凹陷性能兩方面。其中，抗侵徹性能用v50值(即彈道測試時對一定面密度的防彈靶板貫穿概率為50%的彈頭入射速度)和靶片比能量吸收值(SEA值)來表征；抗凹陷性能以靶板凹陷的深度來表征[52]。樹脂含量對復合材料的防彈性能也有重大影響。樹脂含量過高，則纖維受到的束縛增強，此時材料若受到子彈的侵徹則不易被拉伸，故無法最大限度地發(fā)揮纖維的力學性能，加之相同面密度條件下樹脂含量的提高會導致復合材料中纖維含量的降低，這都將導致復合材料防彈性能下降。樹脂含量過低，則纖維與樹脂間的界面性能較差，樹脂無法更好地傳遞載荷，最終導致復合材料防彈性能下降。柴曉明等[53]研究發(fā)現(xiàn)，聚氨酯等熱塑性樹脂基復合材料的防彈性能隨著樹脂質(zhì)量分數(shù)的增加呈先增加后減小的趨勢，其中當樹脂質(zhì)量分數(shù)約為20% 時復合材料的防彈性能最佳。改變復合材料中的鋪層順序，在厚度方向?qū)崿F(xiàn)混雜，也可大幅提高復合材料的防彈性能。秦溶蔓等[54]研究發(fā)現(xiàn)，以超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料作為迎彈面，并與碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料進行交替鋪層，制得的層合板防彈性能最好。另外，面密度對材料的防彈性能也有影響。陳虹等[55]研究發(fā)現(xiàn)，當芳綸無緯布的單層面密度為210 g/m2時，防彈性能最佳。

5 防彈防刺面料的防刺性能

高性能纖維織物可以通過剪切增稠液(STF)整理、樹脂浸漬整理、表面涂層整理等方式提高其防刺性能[56]。Sheng等[57]研究發(fā)現(xiàn)，在相同的沖擊能量作用下，經(jīng)單分散相聚苯乙烯微球組成的剪切增稠液整理的芳綸織物，其防刺性能高于未經(jīng)整理的芳綸織物的防刺性能，且抗尖刺性能優(yōu)于抗刀刺性能。

纖維種類、剪切增稠液分散相和介質(zhì)、樹脂的種類和含量、鋪層角度、鋪層順序等因素都會對纖維增強復合材料的防刺性能產(chǎn)生影響。Cheon等[21]研究發(fā)現(xiàn)，與玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料、芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料相比較，在厚度和面密度相同的條件下，碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的防刺性能最好。利用剪切增稠液整理的織物，其防刺性能不僅與剪切增稠液的分散相和介質(zhì)類型有關(guān)，還與剪切增稠液的濃度有關(guān)。陸振乾等[58]研究發(fā)現(xiàn)，超高相對分子質(zhì)量聚乙烯平紋織物經(jīng)納米二氧化硅顆粒分散的聚乙二醇剪切增稠液浸漬后，防刺性能得到提高，且剪切增稠液濃度越高，材料的防護性能越好。田明月等[59]109-116研究發(fā)現(xiàn)，以二氧化硅和碳納米管為分散相、聚乙二醇為分散介質(zhì)制備的多相剪切增稠液整理的織物的防刺性能，比以納米二氧化硅為分散相、聚乙二醇為分散介質(zhì)制備的單相剪切增稠液整理的織物的防刺性能更好。改變織物的鋪層角度可以改變紗線與纖維間的空隙，改變纖維和紗線之間的摩擦力，進而影響復合材料的防刺性能。Zhang等[60]研究發(fā)現(xiàn)，用熱塑性聚氨酯制備的涂層織物，當織物的鋪層角度分別為0°/45°/0°和45°/0°/45°時，材料的防刺性能均優(yōu)于織物的鋪層角度為0°/0°/0°制備的涂層織物的防刺性能。

6 防彈防刺面料的防護機理

6.1 防彈機理

許多學者通過彈道沖擊侵徹試驗、有限元分析和數(shù)值模擬等方式，研究了復合材料的防彈機理。當纖維樹脂基復合材料在受到子彈的侵徹時，迎彈面纖維會遭受剪切破壞，背彈面纖維會遭受拉伸破壞，并伴隨著應(yīng)力波的傳播，復合材料會出現(xiàn)分層和背凸等現(xiàn)象。Bao等[20]研究發(fā)現(xiàn)，子彈對碳纖維增強塑料/芳綸復合材料層合板的破壞，開始是剪切破壞，然后過渡到拉伸破壞，并出現(xiàn)靶板分層和背凸的現(xiàn)象，彈丸的壓縮和破壞錐的形成都導致了拉伸應(yīng)變。Langston[61]研究發(fā)現(xiàn)，復合材料的拉伸應(yīng)變和分層是吸能機制的主要表現(xiàn)，基體出現(xiàn)開裂較少。肖露等[62]通過彈道沖擊侵徹試驗發(fā)現(xiàn)，壓縮和剪切作用是造成靶板迎彈面破壞的主要因素，纖維拉伸斷裂和靶板分層是造成靶板背彈面破壞的主要因素。顧冰芳等[63]通過掃描電鏡觀察復合材料吸收彈體能量后斷裂處的纖維形態(tài)發(fā)現(xiàn)，迎彈面處的纖維與樹脂發(fā)生了脫黏，中間層斷裂處纖維出現(xiàn)了拉伸變形和塑性流動等現(xiàn)象。肖文瑩等[64]通過有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，彈體動能的一部分以沖擊波的形式作用于靶板。進一步分析靶板的破壞形貌可知，子彈入射面處的纖維發(fā)生了剪切破壞，背彈面的纖維主要因拉伸達到極限而斷裂。

6.2 防刺機理

防彈防刺面料接觸刀具或錐體后會通過摩擦、變形及發(fā)熱等方式吸收穿刺的能量[65]。穿刺方式可分為刀刺和錐刺兩類。Sheng等[57]、田明月等[59]109-116和王麗娟等[66]研究發(fā)現(xiàn)，錐體在穿刺過程中容易使材料出現(xiàn)“開窗”效應(yīng)，增大穿刺物與紗線間的摩擦可以提高織物的穿刺耗能，且此種情況下剪切破壞是織物的主要破壞方式。蔡普寧等[67]研究發(fā)現(xiàn)，刀具對織物的破壞主要以剪切破壞為主。梁高勇等[2]1-6研究發(fā)現(xiàn)，刀具刺入織物造成材料失效的主要原因是紗線產(chǎn)生了滑移、聚集和斷裂。王新厚等[68]研究發(fā)現(xiàn)，以碳化硅顆粒涂覆滌綸機織物制備的柔性防刺復合材料，在穿刺的初始階段，硬質(zhì)SiC顆粒和摩擦作用會吸收大部分的穿刺能量，且隨著穿刺的深入，材料表面會發(fā)生變形以進一步耗散穿刺能量。剪切力是造成表層織物破壞失效的主要因素，拉伸變形是造成背面織物失效的主要因素。Zhang等[69]研究發(fā)現(xiàn)，織物防針刺和防刀刺的作用機理是不同的，釘頭與織物之間的作用力主要是摩擦力，刀頭與織物之間的作用力主要是剪切力。

7 防彈防刺相關(guān)標準

7.1 防彈標準

防彈服的標準有很多。標準的不同使得防彈服在質(zhì)量及防護性能等方面存在差異。常用的標準主要有美國的 NIJ Standard-0101.06BallisticResistanceofBodyArmor[70]和我國的GA 141—2010《警用防彈衣》[71]。

7.2 防刺標準

每個國家防刺服采用的標準也不同。我國采用的主要有美國的NIJ Standard-0115.00StabResistanceofPersonalBodyArmor和我國的GA 68—2019《警用防刺服》。其中，GA 68—2019標準將防刺服劃分為A、B兩個類型，測試時入刺能量皆為24 J，皆不允許穿透；而NIJ Standard-0115.00標準將防刺服分成3個級別，且每個級別都用到2種能量進行測試，都允許7 mm的穿透深度(該深度不會傷及內(nèi)臟器官)，這也是我國與美國防刺服標準在測試方面主要的差別所在。中美防刺服標準的要求和操作程序?qū)Ρ染唧w可參考文獻[72]。

8 結(jié)語

防彈防刺面料兼具防彈、防刺雙重性能，現(xiàn)已受到廣泛的關(guān)注。國內(nèi)方面，防彈防刺面料的制備以機織物、UD布與樹脂的結(jié)合，以及織物浸漬剪切增稠液等居多，目前還存在防彈性能和防刺性能難以兼顧、質(zhì)量偏大等問題。未來可針對纖維的混雜、結(jié)構(gòu)的復合，以及鋪層的順序和角度等進行設(shè)計和優(yōu)化，深入研究防彈、防刺機理，促進防彈防刺面料性能的不斷提高。