軟質(zhì)防彈材料

在蘇聯(lián)時(shí)期，其芳綸材料大多用于軍工、航天領(lǐng)域，民用很少。但隨著蘇聯(lián)的解體和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)化程度的加深，目前這種材料逐步轉(zhuǎn)向民用市場(chǎng)。俄羅斯的芳綸纖維與凱芙拉和特維龍不同，屬于雜環(huán)芳香型聚酰胺。

俄羅斯的基礎(chǔ)研究廣而深，芳綸材料的性能與歐美同類(lèi)產(chǎn)品相比占有優(yōu)勢(shì)，但產(chǎn)業(yè)化水平較低，產(chǎn)量小，目前正積極拓寬市場(chǎng)，增大產(chǎn)量。俄羅斯著名的卡門(mén)斯科化工聯(lián)合體正與中國(guó)合作，投資生產(chǎn)纖維和織物。相信不久的將來(lái)，中國(guó)市場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)俄羅斯高性能芳綸防彈產(chǎn)品。

聚苯并雙惡唑(PBO)纖維，其抗張強(qiáng)度和模量高出芳綸很多，素有"纖維之王"之稱(chēng)。1999年日本以商標(biāo)名Zylon推出PBO纖維,但隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，這種纖維的缺點(diǎn)暴露了出來(lái)。試驗(yàn)表明:該纖維在低于100℃以下，或在普通日光照射下，性能會(huì)逐漸下降。尤其是美國(guó)塞肯德·昌斯(Second Chance)公司出現(xiàn)兩次Zylon防彈衣被擊穿的事件后，PBO纖維在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用更受到質(zhì)疑。阿克蘇·諾貝爾公司經(jīng)過(guò)10多年的努力，研制出一種新型剛性聚苯撐吡啶并咪唑的聚合物(簡(jiǎn)稱(chēng)M5)，其性能超越芳綸。美國(guó)的瑪格蘭系統(tǒng)國(guó)際(Magellan Systems International)公司購(gòu)買(mǎi)該專(zhuān)利,與美國(guó)陸軍共同開(kāi)發(fā)其在防彈方面的應(yīng)用。

隨著生物技術(shù)和基因蛋白工程的發(fā)展，美、加科學(xué)家聯(lián)合利用轉(zhuǎn)換遺傳因子技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一種超高強(qiáng)度纖維生物鋼(Biosteel)，其強(qiáng)度達(dá)到芳綸的3倍。此外還有炭納米管等新型防彈材料。

軟質(zhì)防彈材料，是由機(jī)織物經(jīng)過(guò)一定的縫制工藝固定在一起的，或是由無(wú)緯布多層疊合在一起。其防彈機(jī)理與硬質(zhì)防彈材料不同，后者更多的是利用自身的硬度，改變彈頭或破片的形狀，降低動(dòng)能，起到防彈作用。纖維織物則主要是通過(guò)纖維的變形吸收投射物的能量從而達(dá)到防彈目的。當(dāng)彈頭或破片擊中織物時(shí)，侵徹的方式有拉伸破壞和剪切破壞兩種基本機(jī)理。這兩種機(jī)理的發(fā)生主要與彈頭或破片的形狀、材質(zhì)、速度有關(guān)，頭部呈圓錐形的彈頭射入織物時(shí)，主要以拉伸破壞為主;而對(duì)于高速不規(guī)則的破片，則以剪切破壞為主。

彈頭擊中織物后，產(chǎn)生的應(yīng)變波分為縱向波和橫向波，主要累及被打擊的纖維，但縱向波的交接點(diǎn)可將應(yīng)力傳給輔助纖維，橫向波產(chǎn)生的位移也通過(guò)交接點(diǎn)使邊緣纖維承受傳來(lái)的應(yīng)力。彈道學(xué)試驗(yàn)表明，40%~50%的能量被輔助纖維所吸收。這樣，織物的交接點(diǎn)越多，能量吸收就越多，防彈性能越好。因此防彈織物的編織方式較多地采用平紋，而非斜紋或緞紋。

近年來(lái)，美國(guó)采用一種新型編織法-- 多軸向鋪層系統(tǒng)。該編織法的特點(diǎn)是使鋪層結(jié)構(gòu)每層中的每根紗線可配置到精確的位置上，以達(dá)到給定方向的最大抗拉強(qiáng)度，或在各方向上都有相同的抗拉強(qiáng)度。采用這種編織法編織的防彈衣，質(zhì)地更柔軟，質(zhì)量更輕，防彈能力比普通機(jī)織物提高15%。

對(duì)于機(jī)織物，纖維在織機(jī)上編織過(guò)程中會(huì)受到損傷;另外，應(yīng)變波在織物面上傳播時(shí)，紗線的連接點(diǎn)會(huì)對(duì)應(yīng)變波進(jìn)行反射，應(yīng)變波的疊加易造成紗線過(guò)度伸長(zhǎng)而斷裂。DSM公司利用柔性單向復(fù)合材料技術(shù)制成的無(wú)緯布，解決了這一問(wèn)題。無(wú)緯布消除了織物中的纖維屈曲，使應(yīng)變波的能量向外傳播得更快，進(jìn)而顯著提高防彈性能。

在現(xiàn)代防彈材料的發(fā)展史上，1970年代至1980年代是具有里程碑的時(shí)期。 1972年美國(guó)杜邦公司推出了對(duì)位芳香族聚酰胺纖維商業(yè)化產(chǎn)品 --凱芙拉(Kevlar);1986年美國(guó)聯(lián)合信號(hào)公司得到荷蘭DSM公司專(zhuān)利許可后，開(kāi)始以 Spectra為商標(biāo)生產(chǎn)一種強(qiáng)度更高的纖維--超高分子量聚乙烯纖維。前者標(biāo)志著防彈材料由硬質(zhì)向軟質(zhì)的轉(zhuǎn)變，改變了人們對(duì)防彈機(jī)理的認(rèn)識(shí)，極大地拓展了防彈材料的空間;后者則加速了防彈材料向輕量化、舒適化的方向發(fā)展。目前工業(yè)化、大規(guī)模生產(chǎn)的高性能纖維主要有對(duì)位芳香族聚酰胺纖維(芳綸纖維)、超高分子量聚乙烯纖維和炭纖維。廣泛用于防彈領(lǐng)域的是前兩種。芳綸纖維的比強(qiáng)度和比模量是鋼鐵的10倍，而超高分子量聚乙烯纖維的比強(qiáng)度又高出芳綸纖維1.5倍左右。單根纖維或束絲并不能起到防彈的作用，只有將纖維按一定的規(guī)律排列整合起來(lái)，才能有效地抵御槍彈或破片的侵襲。