液體防彈材料

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期。 1972年美國杜邦公司推出了對位芳香族聚酰胺纖維商業(yè)化產(chǎn)品 --凱芙拉(Kevlar);1986年美國聯(lián)合信號公司得到荷蘭DSM公司專利許可后，開始以 Spectra為商標生產(chǎn)一種強度更高的纖維--超高分子量聚乙烯纖維。前者標志著防彈材料由硬質(zhì)向軟質(zhì)的轉(zhuǎn)變，改變了人們對防彈機理的認識，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，才能有效地抵御槍彈或破片的侵襲。

在蘇聯(lián)時期，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)的解體和市場經(jīng)濟化程度的加深，目前這種材料逐步轉(zhuǎn)向民用市場。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產(chǎn)品相比占有優(yōu)勢，但產(chǎn)業(yè)化水平較低，產(chǎn)量小，目前正積極拓寬市場，增大產(chǎn)量。俄羅斯著名的卡門斯科化工聯(lián)合體正與中國合作，投資生產(chǎn)纖維和織物。相信不久的將來，中國市場會出現(xiàn)俄羅斯高性能芳綸防彈產(chǎn)品。

聚苯并雙惡唑(PBO)纖維，其抗張強度和模量高出芳綸很多，素有"纖維之王"之稱。1999年日本以商標名Zylon推出PBO纖維,但隨著使用時間的延長，這種纖維的缺點暴露了出來。試驗表明:該纖維在低于100℃以下，或在普通日光照射下，性能會逐漸下降。尤其是美國塞肯德·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(簡稱M5)，其性能超越芳綸。美國的瑪格蘭系統(tǒng)國際(Magellan Systems International)公司購買該專利,與美國陸軍共同開發(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、加科學家聯(lián)合利用轉(zhuǎn)換遺傳因子技術(shù)，開發(fā)出一種超高強度纖維生物鋼(Biosteel)，其強度達到芳綸的3倍。此外還有炭納米管等新型防彈材料。

軟質(zhì)防彈材料，是由機織物經(jīng)過一定的縫制工藝固定在一起的，或是由無緯布多層疊合在一起。其防彈機理與硬質(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，降低動能，起到防彈作用。纖維織物則主要是通過纖維的變形吸收投射物的能量從而達到防彈目的。當彈頭或破片擊中織物時，侵徹的方式有拉伸破壞和剪切破壞兩種基本機理。這兩種機理的發(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，主要以拉伸破壞為主;而對于高速不規(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，但縱向波的交接點可將應(yīng)力傳給輔助纖維，橫向波產(chǎn)生的位移也通過交接點使邊緣纖維承受傳來的應(yīng)力。彈道學試驗表明，40%~50%的能量被輔助纖維所吸收。這樣，織物的交接點越多，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，美國采用一種新型編織法-- 多軸向鋪層系統(tǒng)。該編織法的特點是使鋪層結(jié)構(gòu)每層中的每根紗線可配置到精確的位置上，以達到給定方向的最大抗拉強度，或在各方向上都有相同的抗拉強度。采用這種編織法編織的防彈衣，質(zhì)地更柔軟，質(zhì)量更輕，防彈能力比普通機織物提高15%。

對于機織物，纖維在織機上編織過程中會受到損傷;另外，應(yīng)變波在織物面上傳播時，紗線的連接點會對應(yīng)變波進行反射，應(yīng)變波的疊加易造成紗線過度伸長而斷裂。DSM公司利用柔性單向復合材料技術(shù)制成的無緯布，解決了這一問題。無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，進而顯著提高防彈性能。