柔性抗沖擊紡織材料及其結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

楚艷艷，李施辰，陳 超，劉瑩瑩，黃偉韓，張 越，陳曉鋼,5

(1.中原工學(xué)院 紡織服裝產(chǎn)業(yè)研究院，河南 鄭州 451191；2.中原工學(xué)院 河南省新型紡織材料與紡織品國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 451191；3.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 451191；4.京都工藝?yán)w維大學(xué) 大學(xué)院，日本 京都 6068585；5.曼徹斯特大學(xué) 材料學(xué)院，英國 曼徹斯特 M199PL)

目前世界局勢風(fēng)云突變，地區(qū)沖突不斷加劇，局部戰(zhàn)爭不可避免，恐怖主義時(shí)有發(fā)生。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院提供的《2022～2025年中國防彈衣行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，作為保護(hù)生命安全的防彈衣，2019 年全球產(chǎn)量約為2 400萬件，國內(nèi)需求量約為900萬件；2019年北美地區(qū)防彈衣市場規(guī)模約 8.85 億美元，比2018年增加2.91%?！懂a(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)“十四五”發(fā)展指導(dǎo)意見》指出，要加快發(fā)展紡織基反恐防暴裝備、生化防護(hù)裝備、軟質(zhì)防彈防刺裝備等產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用。

由高性能纖維制成的紡織品，由于抗沖擊能力強(qiáng)、柔性好、吸能高、密度低，被廣泛應(yīng)用于抗沖擊防彈防刺防護(hù)層中[1-2]。防護(hù)層一般是由高性能纖維長絲通過一定方法制成織物，再將這些織物疊層起來，形成抗沖擊防彈防刺防護(hù)層。軟體抗沖擊防彈防刺層吸能機(jī)制不僅與其所構(gòu)成織物的纖維有關(guān)，還與所使用紡織結(jié)構(gòu)有關(guān)。本文主要對抗沖擊新型纖維及薄膜材料、纖維表面改性方法及織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法等方面研究進(jìn)行總結(jié)，為抗沖擊紡織品新材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展提供新思路。

1 新型纖維及薄膜材料

1.1 石墨烯纖維及薄膜

自從2004年英國物理學(xué)家通過機(jī)械剝離法提取出單質(zhì)石墨烯，全世界開啟了石墨烯研究熱潮，石墨烯因其優(yōu)異的物理力學(xué)性能，被冠予“黑金”及“新材料之王”的稱號。石墨烯理論強(qiáng)度為 130 GPa，其彈性模量高達(dá)1 TPa[3]。Wetzel 等通過理論計(jì)算指出，純石墨烯多層膜防彈材料將比現(xiàn)用防彈材料質(zhì)量輕100倍，因其具有非常優(yōu)異的縱波傳遞速度和應(yīng)變吸能特性[3]。Dewapriya等采用分子動力學(xué)模型從原子角度模擬了單層石墨烯膜與聚乙烯聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈道沖擊性能，單層石墨烯可提高聚乙烯抗沖擊性能約8倍[4]；Balogun等從宏觀尺寸角度模擬了十幾層石墨烯的彈道沖擊性能，結(jié)果顯示可抵御3 000 m/s的沖擊速度[5];Vignesh 等采用有限元模擬研究了石墨烯增強(qiáng)芳綸復(fù)合防彈層防彈性能發(fā)現(xiàn)，石墨烯增強(qiáng)芳綸織物防彈層能顯著增強(qiáng)其能量吸收性能[6]。

基于石墨烯優(yōu)異的性能，若將其作為防彈材料，相比于目前的纖維材料，將顯示出前所未有的優(yōu)勢[3]，但將石墨烯的理論性能轉(zhuǎn)化為纖維材料的實(shí)際性能，仍十分困難。龐雅莉等采用濕法紡絲工藝技術(shù)制備了石墨烯纖維，拉伸強(qiáng)度達(dá)到179 MPa[7]。林玙璠等采用界面聚電解質(zhì)絡(luò)合(IPC)紡絲方法，通過氧化石墨烯紡絲液與殼聚糖之間的離子絡(luò)合作用構(gòu)筑了石墨烯纖維，抗拉強(qiáng)度達(dá)到585 MPa[8]。與目前芳綸(3～4 GPa)和超高性能聚乙烯纖維(3.5～5.0 GPa)拉伸強(qiáng)度相比，差距仍較大。此外，將石墨烯與其他材料進(jìn)行共混制膜或沉積鋪層或摻雜到其他基體中，防彈性能也有提高。文獻(xiàn)[9-10]分別對石墨烯增強(qiáng)鋁基SiC復(fù)合材料抗侵徹性能進(jìn)行了研究。O′Masta等將石墨分散到了聚乙烯醇(PVA)中而后采用液體剝離法得到厚度為10 μm、長與寬分別為85、85 mm的多層石墨烯/PVA膜，在沖擊速度為0～30 m/s下，多層石墨烯/PVA膜的耐沖擊極限速度高于鋁膜[11]。程群峰等受鮑魚殼結(jié)構(gòu)與反鮑魚殼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出仿生構(gòu)筑類似“磚-泥”的有機(jī)-無機(jī)層層交替的有序石墨烯納米復(fù)合材料，克服石墨烯片層團(tuán)聚的問題，然而，材料被局限在較小的尺寸范圍內(nèi)，且耗時(shí)費(fèi)力[12]。

基于模擬和理論分析可知，石墨烯材料展示出優(yōu)良的抗彈道沖擊性，但是石墨烯應(yīng)用還存在許多問題：1)石墨烯諸多特性都是基于單層結(jié)構(gòu)。一般認(rèn)為，超過10層便不具備石墨烯材料的優(yōu)異特性。然而，批量獲得一個(gè)原子厚度的單層石墨烯目前難以實(shí)現(xiàn)。2)如何突破材料尺寸限制，縮短制備時(shí)間，是需要解決的一個(gè)瓶頸。雖然單層石墨烯的力學(xué)性能非常好，但是宏觀組裝力學(xué)性能如何發(fā)揮其高強(qiáng)度，仍是世界之難題。

1.2 碳納米管纖維及薄膜

碳納米管，一種管狀的一維納米材料，自1991年被日本NEC公司的電子顯微鏡專家飯島發(fā)現(xiàn)以來，得到各行各業(yè)的研究與重視[13-15]。碳納米管有單壁型和多壁型，對于有理想結(jié)構(gòu)的單層壁碳納米管，其抗拉強(qiáng)度約為800 GPa，多壁納米管的平均彈性模量高達(dá)1.8 TPa[13-14]。Xiao等采用粗?；肿觿恿W(xué)模擬研究交聯(lián)型CNT薄膜的微觀沖擊實(shí)驗(yàn)，隨著交聯(lián)密度的增加，CNT薄膜的消釋能量的機(jī)制從彎曲為主轉(zhuǎn)變?yōu)槔?彎曲模式，在交聯(lián)密度達(dá)到20時(shí)，能量吸收顯著增加，提高約45%[13]。徐志平等采用分子動力學(xué)模擬了垂直鋪層(CPL)與非織造鋪層(NW)碳納米管的彈道沖擊過程，碳納米管鋪層材料僅在50 ps左右，子彈的沖擊速度從1 km/s降低至0.45～0.7 km/s[14]。

梁琳俐等采用凍膠紡絲方法制備了碳納米管含量為0.05%、0.1%、0.2%的UHMWPE/CNTs復(fù)合纖維，其添加3% CNTs 的UHMWPE 抗拉強(qiáng)度可增加63.18%[15]。曹文鑫等采用同軸纖維紡絲思路，以芳綸納米纖維為鞘，單壁碳納米管為芯層，獲得了芳綸納米纖維/單壁碳納米管同軸復(fù)合纖維，其抗拉強(qiáng)度可到達(dá)818.4 MPa，模量為43.4 GPa[16]。白云祥等通過原位氣流導(dǎo)向的方法制備了直徑達(dá)數(shù)十納米、水平長度達(dá)毫米級的超長碳納米管束[17]。胡東梅等提出將連續(xù)碳納米管薄膜(CNTF)與超高分子量聚乙烯(UHMWPE)為原料，設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)CNTF/UHMWPE靶片，當(dāng)CNTF/UHMWPE靶片面密度為2.89 kg/m2時(shí)，靶板材料的穿透概率為50%的速度可達(dá)到520 m/s，凹陷深度較UHMWPE材料靶片可降低21%[18]。

碳納米管纖維目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，純度可達(dá)到99.9%，力學(xué)抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 500 MPa；斷裂伸長率為2.5%～25%，但價(jià)格極其昂貴，高達(dá)600～3 500元/m。碳納米管薄膜規(guī)?；B續(xù)制備需要采用浮動催化技術(shù)，但該方法在碳納米管生長過程中爐管內(nèi)有大量氫氣、醇類氣體，在高溫條件下，安全隱患多，工業(yè)化還需要漫長的時(shí)間研究。另外昂貴的成本也限制了該技術(shù)在防彈方面的廣泛應(yīng)用。碳納米管薄膜的基本力學(xué)性能差，與單根碳納米管的力學(xué)性能仍具有數(shù)量級的差距，如何將微觀結(jié)構(gòu)的碳納米管優(yōu)越的性能體現(xiàn)在納米管薄膜宏觀組裝體上是巨大的挑戰(zhàn)。

2 纖維表面改性材料

2.1 剪切增稠劑

剪切增稠劑(STF)是一種非牛頓流體，由分散相和分散介質(zhì)組成，當(dāng)剪切應(yīng)變率達(dá)到一定閾值時(shí)，該流體的黏稠度會瞬間增高數(shù)百倍甚至上千倍，實(shí)現(xiàn)由流液向準(zhǔn)固態(tài)的轉(zhuǎn)變；當(dāng)剪切應(yīng)力小時(shí)，材料形態(tài)再由準(zhǔn)固態(tài)返回液態(tài)。子彈高速撞擊這種材料時(shí),剪切增稠液防彈衣就會迅速變得極其堅(jiān)硬，吸引撞擊能量。2003年由Lee等提出在抗沖擊方面應(yīng)用后，即液體防彈衣，得到了國外學(xué)者的廣泛關(guān)注[19-21]。然而Asija 等[22]研究發(fā)現(xiàn)將STF置于超高性能聚乙烯織物之間的方法降低了防彈性能，而通過浸軋-烘干方法得到的STF織物的抗沖擊韌性增強(qiáng)了許多。將剪切增稠液通過浸軋-烘干的方法整理得到的織物，此時(shí)溶劑聚乙烯醇已經(jīng)蒸發(fā)走，在織物表面形成SiO2粒子[23-24]。Majumdar等[25]的研究表明，在(430±15)m/s的沖擊條件下，浸漬軋壓法STF處理的芳綸織物在面密度基本接近的情況下，可將背凹深度降低2.5～2.8 mm。付倩倩等[26]研究了剪切增稠膠(STG)與超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的抗低速沖擊性能，加入STG后，STG/UHMWPE復(fù)合材料的剩余沖擊載荷可減少50%。

一些學(xué)者研究了浸漬-軋壓-焙烘中粒子濃度、粒子大小、軋壓壓力、溫度等工藝參數(shù)對沖擊效果的影響。Thakur等[27]研究了剪切增稠劑中不同二氧化硅粒子濃度及粒子大小在沖擊速度為180 m/s左右的沖擊性能，研究指出二氧化硅粒子質(zhì)量增加超過一定的值會降低抗沖擊性能；剪切增稠劑增加能量吸收的主要原因是增加了織物中紗線間的摩擦力，而并非剪切增稠劑的剪切增稠作用。Liaghat等[28]分別采用SiO2粒子含量為15%、25%、35%和45% 的STF整理織物，其單位密度能量吸收值在35%時(shí)最好，是未處理織物的2.3倍；同時(shí)指出，隨著SiO2粒子濃度的增加，其剪切增稠的效應(yīng)在減弱。Srivastava等[29]研究指出，通過浸漬軋壓將STF整理到織物表面的方法，在沖擊速度為6和165 m/s時(shí)，可使芳綸織物能量吸收增加125%；但未給出質(zhì)量增加量；另指出通過2次軋壓可提高能量吸收性能。STF處理后織物在50 ℃～-50 ℃ 的溫度區(qū)間里，溫度越低，STF處理織物的抗穿刺性能越好[30]。

此外，一些學(xué)者在剪切增稠劑中加入了其他物質(zhì)，如Avila等[31]制備了不同比例的SiO2/CaCO3兩相剪切增稠劑分別對18層、24層和32層芳綸織物進(jìn)行處理，對比其彈道沖擊性能(350～450 m/s)，處理后的織物背凸體積顯著降低，但是與未處理的相應(yīng)多層織物相比，其質(zhì)量增加在30%～60%。Gürgen 等[32]對比分析了芳綸未經(jīng)處理織物、STF處理芳綸織物及不同比例添加量的STF/SiC 處理織物在330 m/s沖擊速度下的能量吸收及背凸凹陷性能，指出處理后織物紗線間摩擦力的增加是其能量吸收增加和凹陷深度減小的主要原因，其次粒子濃度增加使得載荷可通過粒子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞。Santos等[33]對比了未經(jīng)處理芳綸織物、STF、添加耦合劑的STF防刺性能，發(fā)現(xiàn)穿透深度依次降低，分別約為50、46和25 mm，且隨著背襯紙張數(shù)量增加到4層，STF、添加耦合劑的STF的芳綸織物未刺穿，未經(jīng)處理的芳綸織物的刺穿深度仍較高，約為40 mm，但處理后的質(zhì)量增加分別約為40%和90%。Wang等[34]應(yīng)用聚氨酯(PU)、STF混合處理芳綸1～3層織物，STF與PU混合比分別為5∶4和5∶2，添加量低于40%，相比于純STF、純PU顯示出較好的能量吸收量。Cao等[35]對比分析了STF、STF/CNT處理后芳綸織物的彈道沖擊性能。STF/CNT 處理的芳綸織物的彈道極限速度從84.6 m/s 變化到96.5 m/s。Liu等對比分析了氧化石墨烯、碳納米管、剪切增稠液3種材料混合處理后芳綸織物的彈道沖擊性能，設(shè)計(jì)了SFT、STF/GO、STF/CNTs、STF/GO/CNTs 4種整理液，結(jié)果表明：STF/GO、STF/CNTs處理后織物防彈性能有所增加，能量吸收提高78.3%左右，但STF/GO/CNTs并沒有顯示出更優(yōu)的性能[36]。

除此之外，還有一些學(xué)者通過準(zhǔn)各向同性設(shè)計(jì)、縫合法、等離子體處理、變化織物結(jié)構(gòu)與STF相結(jié)合，增強(qiáng)其防彈抗沖擊性能[37-40]。印度理工學(xué)院的 Arora等將轉(zhuǎn)角法與STF剪切增稠液界面處理法結(jié)合在一起，分別對比分析了3層、4層芳綸與超高性能聚乙烯織物在有無STF剪切增稠液界面處理時(shí)，不同轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)下的彈道沖擊性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)角對STF芳綸織物的能量吸收提高十分顯著，提高率在19%～68%[37]。劉星等[39]對比了等離子體處理STF和未處理STF的防刺性能，經(jīng)等離子體處理后錐刺載荷由23.34 N增加到41.13 N，提高了76%。李聃陽等[40]研究了STF對不同結(jié)構(gòu)芳綸織物防刺性能的影響，發(fā)現(xiàn)STF浸漬后各種織物的防刺性能都有明顯提升，經(jīng)緯密度較大的平紋織物表現(xiàn)出較優(yōu)的鈧錐和抗刀刺性能，而斜紋織物提升最為明顯了，提升387%。

STF處理后的織物其防刺性能[41-43]或低速彈道沖擊性能有所增強(qiáng)[44]，但在較高速度沖擊(300～500 m/s)下無明顯防彈優(yōu)勢，且隨著層數(shù)增多，能量吸收低于未處理的芳綸織物[45]。Kim等[46]研究了浸漬STF與未浸漬STF的芳綸織物在更高沖擊速度1 000～1 800 m/s下的能量吸收性能，研究指出浸漬STF的5層芳綸織物(面密度為0.133 g/cm2)與未浸漬STF的8層織物(0.125 g/cm2)的能量吸收相接近，但是剪切增稠劑添加量增大，Liaghat[47]等的研究表明，剪切增稠劑添加量達(dá)到45%之后，在相同沖擊速度(160 m/s)下才不穿透。

2.2 納米無機(jī)材料

以往有限元研究[48-50]表明，長絲間的摩擦力越大，織物彈道沖擊過程中吸收的能量越多。為此，許多研究者對長絲表面進(jìn)行改性，增加長絲間的摩擦力，以提高織物抗彈道沖擊性能。納米無機(jī)材料有零維材料納米顆粒、一維材料如納米線、二維納米材料如石墨烯、三維的納米材料如碳納米管等。

Sun等[51]和Chu等[52]分別嘗試了采用等離子和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PCVD)處理芳綸及超高性能聚乙烯長絲及織物，在其表面形成了SiO2納米顆粒，紗線間摩擦力可提高約50%～200%，紗線力學(xué)性能基本不變。Hwang等[53-54]在芳綸平紋織物表面引入ZnO納米線增加紗線間摩擦力5～8倍，對織物質(zhì)量和力學(xué)性能影響較小。美國密歇根大學(xué)的Sodano等采用水熱合成法在芳綸平紋織物表面生長ZnO納米線以增強(qiáng)其長絲間的摩擦力，通過處理之后，采用4130合金鋼、質(zhì)量為29 g、直徑為11.40 mm的鈍頭射彈，在22～40 m/s沖擊速度范圍內(nèi)測試了其抗沖擊性能，最大沖擊抵抗力提高了66%[55]。Chu等[56]采用納米溶膠-凝膠技術(shù)對芳綸長絲進(jìn)行表面處理，長絲力學(xué)性能基本不變，質(zhì)量僅增加5%，但摩擦力提高有限，增加50%～100%。同時(shí)，采用溶膠-凝膠法對整理織物進(jìn)行了抗沖擊性能測試，對于整理后8層織物的能量吸收可提高35%[57]。

石墨烯及碳納米管還應(yīng)用于纖維表面改性。Silva等通過真空過濾方法及熱處理將氧化石墨烯薄片沉積在芳綸織物表面，依據(jù)NIJ0 01.06《防彈衣的防彈性能》標(biāo)準(zhǔn)中的II級進(jìn)行測試，結(jié)果表明，沉積氧化石墨烯薄片的芳綸織物比原織物吸能提高了50%，主要是因?yàn)槭┰鰪?qiáng)了織物間摩擦力[58]。程凡等申請的專利技術(shù)中，將石墨烯摻雜到液態(tài)或熔融熱塑性樹脂基體中，再復(fù)合芳綸或碳纖維等形成復(fù)合材料，作為防彈層中第3層使用[59]。Dasgupta將自制的碳納米管分散到UHMWPE UD織物中，對比分析了有無添加碳納米管的CNT-UHMWPE和UHMWPE UD織物在步槍與AK47沖擊條件下的背凹深度，降低值達(dá)到60%以上[60-61]。Domun 等對比分析了玻璃纖維復(fù)合材料環(huán)氧樹脂中添加一維/二維混合納米材料如碳納米管(CNTs)、石墨烯片(GNPs)、雜化六方氮化硼納米片復(fù)合碳納米管(BNNTS/CNT)、雜化六方氮化硼納米片復(fù)合碳納米管(BNNS)/CNT的復(fù)合材料的彈道沖擊性能，經(jīng)BNNT/GNP改性后的能量吸收最高，相比于未改性樹脂增加了16.8%[62]。

3 抗沖擊織物結(jié)構(gòu)研究動態(tài)

3.1 單層織物結(jié)構(gòu)

抗沖擊單層織物組織結(jié)構(gòu)有二維織物組織和三維織物組織。相比于二維織物，一些學(xué)者認(rèn)為三維織物具有從厚度方向進(jìn)行增強(qiáng)疊層織物的優(yōu)勢[63-65]，但是，吳鎮(zhèn)宇等[66]通過對超高性能聚乙烯長絲UD(單向)織物、平紋織物及三維正交織物柔性復(fù)合材料的彈道沖擊性能對比以及Abtew等[67]對二維平紋織物與三維角聯(lián)鎖織物的彈道沖擊性能分析對比，發(fā)現(xiàn)三維正交織物結(jié)構(gòu)和角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)并未顯示出較高能量吸收性能。二維織物用于防彈防刺層主要為機(jī)織物和UD織物[68-69]，針織物[70]、非織造布[71]和編織布[72]也有一定的研究，但因針織物變形較大、非織造布力學(xué)性能較低、編織物柔性較差而實(shí)際應(yīng)用較少。

3.2 疊層結(jié)構(gòu)

層間疊層結(jié)構(gòu)主要包括縫合法[79-80]、層間雜化混合設(shè)計(jì)法[81-84]和準(zhǔn)各向同性設(shè)計(jì)[85]?？p合法是將軟體防彈層采用一定的縫合方法在厚度方向上進(jìn)行增強(qiáng)?？p合方法多種多樣，菱形縫合、方形縫合、特殊縫合等。通過縫合，織物層間作用力增強(qiáng)，抗沖擊性能有一定提高，但是縫合法帶來的最大問題是縫合后防彈織物層的柔度會急劇下降。文獻(xiàn)[80]發(fā)現(xiàn)在沖擊速度為180 m/s，同等質(zhì)量下縫合織物能量吸收雖增加146%，但柔度下降50% 以上。雜化混合設(shè)計(jì)是在厚度方向上，將不同織物，不同結(jié)構(gòu)或不同纖維根據(jù)不同平面織物的吸能特點(diǎn)進(jìn)行組合排列放置,主要由UD織物與平紋織物混雜設(shè)計(jì)[81-82]、UD織物或平紋織物與氣凝膠混雜[83]、UD織物與連續(xù)碳納米管薄膜混合[84]。UD織物與機(jī)織物的混合，雖提高了能量吸收量，但織物的透氣透濕性仍不能得到很好的改善，且柔性較差[81-82]。連續(xù)碳納米管薄膜混合需要采用浮動催化法，其工藝復(fù)雜、工業(yè)化較難[84]。準(zhǔn)各向同性設(shè)計(jì)是將每一層的織物旋轉(zhuǎn)一定角度，使織物在厚度方向?qū)崿F(xiàn)整體各向同性，該方法對能量吸收提高有限，僅約為20%，而且耗費(fèi)材料。

3.3 夾層結(jié)構(gòu)

夾層結(jié)構(gòu)主要是織物與氣凝膠形成的夾層結(jié)構(gòu)。氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，是目前已知的世界上密度最小的固體，一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，隨著科技的發(fā)展，其他材料的氣凝膠如石墨烯氣凝膠、聚合物基氣凝膠相繼出現(xiàn)。由于氣凝膠空氣含量高，因此其隔熱性性能好，常用于防彈衣隔熱材料[86-87]。另外，氣凝膠擁有極高孔洞率、極低密度，其密度在3～5 kg/m3，具有高抗壓性和彈性回復(fù)性。因此，氣凝膠是一種良好的吸能材料[87]。Patil等采用分子動力學(xué)數(shù)值模擬的方法研究了不同密度石墨烯氣凝膠[88]及二氧化硅氣凝膠[89]微觀抗沖擊性能，并指出石墨烯氣凝膠在抗沖擊及高吸能材料方面有較強(qiáng)的應(yīng)用。楊杰等研究了以氣凝膠為夾層的復(fù)合結(jié)構(gòu)抗彈性能[90]。當(dāng)防彈纖維后面加上氣凝膠夾層后，強(qiáng)度較低的氣凝膠夾層使防彈纖維面板的變形有了很大的擴(kuò)展空間，復(fù)合靶板吸收彈頭動能的能力大幅提高，同時(shí)可以有效防止彈頭的非貫穿傷害，但氣凝膠放置在SiC/AL復(fù)合材料、陶瓷面板后，防彈性能無顯著性提高[90]。Aytena等嘗試將交聯(lián)型二氧化硅氣凝膠與36層芳綸織物放置在一起，研究 NIJ IIIA級沖擊條件下的凹陷深度變化情況，15 mm 厚的氣凝膠僅使抗凹陷深度減少了7.3%[91]。周慶等的研究指出氣凝膠在爆炸過程中會產(chǎn)生很多粉塵顆粒，會對人體呼吸道造成嚴(yán)重影響，另外氣凝膠厚度一般較厚，會增加軟體防彈衣的臃腫，造成活動不變。

3.4 硬軟復(fù)合仿生結(jié)構(gòu)

受自然界生物結(jié)構(gòu)啟發(fā)，仿生結(jié)構(gòu)在能量吸收方面展示出良好的應(yīng)用潛力，但目前研究較少，相比于其他結(jié)構(gòu)，研究發(fā)表的相關(guān)論文近3.59%左右[92]。Ha等[93]和Isaac等[94]總結(jié)了近年來仿生結(jié)構(gòu)在能量吸收方面的應(yīng)用研究，主要有仿生薄壁結(jié)構(gòu)、仿生板結(jié)構(gòu)、仿生蜂窩多孔結(jié)構(gòu)、仿生土木結(jié)構(gòu)等。軟體防彈防刺方面的應(yīng)用主要是仿生魚鱗狀結(jié)構(gòu)。朱德舉等總結(jié)了魚鱗狀仿生結(jié)構(gòu)在軟體防彈衣的應(yīng)用，魚鱗狀仿生結(jié)構(gòu)最大優(yōu)勢是將硬質(zhì)材料與軟質(zhì)材料結(jié)合在一起，為防彈盔甲提供了最大的靈活性和柔韌性[95]。Barthelat等以長嘴硬魚鱗片為靈感開發(fā)了硬質(zhì)陶瓷板和Kevlar手套結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有很好的靈活性[96]。

Martini等采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法對比分析了多種不同結(jié)構(gòu)鱗片抗穿刺性能，研究指出，硬骨魚及硬鱗片抗穿刺性能最好，符合自然進(jìn)化規(guī)則[97]?；谟操|(zhì)防彈材料如陶瓷和軟質(zhì)防彈材料芳綸、超高性能聚乙烯，朱德舉等設(shè)計(jì)了一種魚鱗狀柔性疊層防護(hù)裝具，分別以SiC-UHMWPE復(fù)合結(jié)構(gòu)和Al2O3-UHMWPE復(fù)合結(jié)構(gòu)作為鱗片層，將其采用膠接的方式固定，形成硬軟結(jié)合的防彈材料，使用 51式 7.62 mm手槍鉛心彈，在420～450 m/s的沖擊條件下，背凹深度為6.5～18 mm[98]。雖然仿鱗片結(jié)構(gòu)能夠提供較好的柔韌性，但這要求硬質(zhì)材料的厚度不能超過一定的厚度，然而，硬質(zhì)材料的防彈性能一般與其厚度成正比，因此，仿生結(jié)構(gòu)使用條件受限，此外，這類鱗片仿生結(jié)構(gòu)沿鱗片排列方向柔性較好，但在其他方向柔性仍然較差，穿著舒適感差。仿生結(jié)構(gòu)目前在防刺服方面應(yīng)用較多[99]。如若提高硬質(zhì)與軟質(zhì)層的防彈性能，硬軟仿生結(jié)構(gòu)將是開發(fā)防彈防刺雙防服的一個(gè)重要方向。

4 結(jié)束語

軟體防彈衣發(fā)展至今，在達(dá)到防護(hù)要求的前提下質(zhì)量下降了許多，但是，作為個(gè)人防護(hù)穿著裝備，穿著舒適性仍有較大改進(jìn)的空間。在滿足其防彈防刺性能的前提下，如何更薄、更輕、更舒適是未來軟體防彈衣的發(fā)展新方向。從纖維表面改性研究方面，通過剪切增稠劑、納米無機(jī)材料對高性能纖維表面改性，可以達(dá)到質(zhì)量減輕的目的；從防彈層織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可圍繞單層織物組織結(jié)構(gòu)、層間結(jié)構(gòu)和硬軟結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到防彈與舒適的協(xié)同。如若要求更高，則具有高強(qiáng)高模的高純度石墨烯纖維、碳納米管纖維、石墨烯薄膜、碳納米管薄膜的宏量化無缺陷制備將是材料界需要突破的瓶頸。