防弹衣及其舒适性研究现状
  • 特种装备网    发布时间: 2017-06-30     关注我们:
  •     摘要:介绍了国内外防弹衣研究进展,探讨了防弹衣纤维及材料、织物组织及织造工艺、服装结构,以及散热系统对防弹衣减重及服用舒适性的优化改良,展望了防弹衣人性化设计理念的发展前景。

        关键词:防弹衣;织造;舒适性;前景

        防弹服根据式样分为背心式、夹克式、套头式3种。现今防弹服主要是指防弹背心,主要由防弹内外层织物和防弹层2部分组成。防弹内外层常用天然纤维及化纤制作,具有覆盖和保护防弹层的作用,有的也具有一定的防弹作用。从实用角度和商业角度考虑,目前的防弹背心内外层织物的开发将向着高功能化、舒适化、轻薄化的方向发展。在此基础上,选择何种材料、织物形式及配置方式、织物组织、结构参数及后整理方法等,已成为防弹背心内外层织物设计与开发的核心。

        舒适性是防弹衣的一项重要指标,包括透湿、透气、柔软、轻便等。通过合理的结构设计,软体防弹衣可以具有较好的柔软性和轻便性。想要同时兼顾舒适性,就要保证防弹衣重量轻、穿着舒适且具防护性两者之间的平衡。其使用的防弹材料、防护面积以及结构设计直接决定了防弹衣的防护能力、重量、穿着服用和性能。

        1 防弹衣用纤维及材料

        纤维及材料是防弹衣减重和服用性能提高的首要因素,其透气性能和柔软性能的大幅度改良有助于穿着者在遇到危险时能迅速反应和移动。目前防弹服朝着更好的防护纤维和更低的成本发展,研发新材料、应用新科技是其研制的动力。提高军用防弹衣防护性能、减轻重量的决定性因素是防弹材料,因此选用成熟的优质高强度且柔软质轻的材料是实现减重和保证舒适性的重要途径。

        2O世纪50年代,美军首先试验使用锦纶这类软质合成纤维材料制作防弹衣,但是一件锦纶防弹衣重量在4.5kg以上,对活动机能性有很大的阻碍;美国杜邦公司于60年代中期研制出的一种合成Kevlar纤维,抗张强度极高,是锦纶纤维的2倍多,而吸收弹片动能的能力是锦纶的1.6倍,制成的防弹衣重量比锦纶防弹衣轻,防弹性能好,因此在国家军队得以广泛应用;90年代以来,我国防弹衣研究机构又在国内率先引进国外新材料和技术,研制出新一代非金属芳纶防弹衣,质轻、柔软、舒适且防弹级别高。

        1.1 新一代Kevlar芳纶纤维

        杜邦Kevlar AS450X是解决多重安全威胁的新一代芳纶产品,特别为穿用者更舒适地穿戴防弹衣而研制。该产品开发了集防刺、防钉和防弹功能于一身的防护装备,在提供很好的舒适性的同时,还表现出显著的机动性,特别是在巡逻车辆上驾驶时。

        杜邦KevlarXPS104增强了防弹性,减缓了背面变形,即使在炎热的气候下也不例外。根据市场研究,防弹衣还需有防水性能。杜邦Kevlar XPS104面料即使在潮湿的条件下依然拥有极好的防弹性和舒适性,特别适用于热带气候或极度潮湿的场合。

        1.2 超高分子量聚乙烯纤维

        20世纪90年代美国实现了商品名为“Spectra”的超高模量聚乙烯纤维的商业化生产,它具有比Kevlar更优越的性能、强度和更高的模量,是其分子量在100~5OO万的聚乙烯所纺出的纤维。在保持与Kevlar制品相同防护性能的条件下,由这种纤维材料制成的防弹头盔和背心重量可减轻1/3。超高模量聚乙烯纤维耐化学腐蚀且耐磨;密度很低,有着优异的力学性能和能量吸收性能;该纤维密度在所有高性能纤维中最小,可以大大减轻工作人员的体力强度。

        1.3 蜘蛛丝

        蜘蛛丝是目前世界上最坚韧且具有弹性的纤维之属于生物蛋白纤维。它有着自然界产生的最好的结构,并具有很高的防断裂强度和优良的综合性能:质地坚韧,具有强度大、弹性好、柔软、质轻等优点,且可生物降解和回收。它在航空航天(如飞机和人造卫星的结构材料、复合材料、宇航服装)、军事(如坦克装甲、防弹衣、降落伞)、建筑(如桥梁和高层建筑的结构材料)、医学(如人造关节、肌腱、韧带)等领域表现出了广阔的应用前景。

        1.4 碳纳米管

        碳纳米管为空石墨圆柱体,只有一个原子厚度。它与高分子材料结构相似,但其稳定性要高很多。若

        将其制成复合材料,可使其具有良好的强度、弹性、抗疲劳性和各向同性的特点;可提升超高分子量聚乙烯的工程特性,加强其散热力,利用这类材料制成的防弹衣不但可以承受更大的冲击力,且更透风、轻巧、舒适。

        随着生物技术的进步,像蜘蛛丝这样坚韧的材料有可能通过转基因或合成的方法得以大量生产。纳米技术的发展也将使柔韧、坚固的防弹材料的开发成为可能。目前,常用作复合材料基体的高性能纤维主要有碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维等。这些高性能纤维与纤维增强树脂能复合出性能更加优越的防弹复合材料,具有质量轻、柔韧性好、防护效果好等优点。

        1.5 剪切增稠液体防弹服

        剪切增稠液体STF防弹衣是一种由聚乙二醇和硅微粒合成的超浓液体。它被灌装在传统防弹衣的夹层内或涂抹在纤维表面,当子弹或弹片打到这种防弹衣上时,里面的液体会在射弹的巨大压力下瞬间转化为一种硬度极高的物质,形成一块“盾牌”;一旦压力消失,便又迅速还原为液体状态。STF防弹服的防护可靠性大大增强,重量轻于目前产品,生产成本大幅度降低,具有很好的发展前景。

        2 织物组织及织造工艺

        不同的织物结构有着不同的防弹性能,合理安排织物的组成结构可以大大提高防弹衣的性能,甚至达到舒适性和减重的功效。减轻防弹衣重量,提高防护能力的另一个重要途径是不同防弹材料的优化组合。

        纤维复合材料在防弹领域的应用发展越发广阔,高性能纤维常以机织物、无纬布等形式存在,且原料、组织结构及制备工艺、层合方式等因素对于材料的防弹性能具有较大的影响。目前国内防弹衣制作主要是通过应用高模量高性能的芳香族聚酰胺纤维和高分子聚乙烯纤维作为制作材料,通过高密机织物织造出单层织物。

        材料的结构设计一般是指多层结构材料的混杂铺层设计、三维立体结构设计和特殊性结构的设计等EH叫,包括材料层厚度的控制、材料组成次序和连接方式的设计等。

        2.1 二维织物层合材料二维织物多采用紧度较高的平纹组织,也有尝试纱罗组织。二维层合工艺相对简便,目前研究人员可以通过研究复合层的受冲击情况,对各复合层的角度进行改进从而验证其防弹性能有无提高,为在结构方面的改进提供科学的理论依据E¨。二维机织物组织结构柔软,穿着舒服,在高效防弹的同时提高了防弹衣的舒适性。

        2.2 三维织物增强材料

        三维复合织物,如三维蜂巢织物或三维柱形复合织物,在不减弱防弹能力的前提下,通过高强度树脂的内部填充(中心仍然采用中空)来减少防弹衣主体织物的层数。

        学者杨丹发明的一种三维立体防弹衣用面料颇受好评,该面料为三维防弹面料,其组织结构为三维角联锁机织物结构,经纬纱材料都为芳纶。其可塑性是传统二维面料完全不能比拟的,它能形成55-75mm的弯曲深度,是传统二维防弹面料的3倍。该立体防弹衣提供防弹保护的同时,穿着舒适、符合女性身体曲线、环保及无污染、对人体无害。

        2.3 无纬布组合

        无纬布是采用高强高模聚乙烯纤维为基材,经高科技设备均匀铺丝,使纤维单向平行排列,并以高强弹性体树脂浸渍涂胶和薄膜粘合,再经0°/90°。的双正交复合层压而成。

        有学者将超高分子量聚乙烯和芳纶纤维平行排布,使用时,将单向带层合预浸料按不同的方向叠合在一起,加以固化。该核心材料质轻、能抵御子弹和刀具的巨大冲击力且能减少对人体的伤害。

        TeijinAramid公司已于2013年推出Twaron单向层合板UD22用于防弹衣,具备柔软性、低重量且增强保护的作用。

        学者陈虹等通过实验研究优化了防弹芳纶无纬布的织造工艺,调整了无纬布用胶黏剂的成分及其固含量,确定了最佳配方,提高了无纬布的防弹性能,并通过改变织造设备的工艺参数降低了无纬布面密度,实现相应防弹衣制品的轻量化与舒适性目标。

    [来源:纺织科技进展  责任编辑:黄强]
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