“芳綸+陶瓷”防彈效果更佳

近日，美國科學(xué)家開發(fā)出的新型防彈背心用絨毛纖維引起業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。據(jù)介紹，該纖維是由“凱夫拉”和“斯派克特拉”混紡而成，質(zhì)量減輕30%，不僅擁有相當(dāng)高的機械強度，而且經(jīng)過非織造工藝的加工后，具有輕柔的表面及優(yōu)良回彈性。

針對這一產(chǎn)品，業(yè)內(nèi)人士表示，在以為使用者提供更可靠的安全保障為前提的背景下，質(zhì)輕、舒適、高性能已經(jīng)成為現(xiàn)代高性能防彈材料的發(fā)展方向。

1.五大因素影響面料防彈效果

據(jù)西北工業(yè)大學(xué)教授孫蓓介紹，對防彈面料而言，防彈作用與纖維面料5方面的因素有關(guān)。

一是纖維的細(xì)度。纖維的細(xì)度小，在紗中的相互抱合較為緊貼，受力較為均勻，因而提高了成紗的強度。同時，細(xì)旦纖維材料的防彈性能也隨之提高。

二是纖維的拉伸強度、模量、斷裂伸長率和斷裂功等物理性能指標(biāo)。從理論上說，拉伸強度高、伸長變形能力強的材料，其吸收能量的潛力越大。但在實踐中，用于防彈衣的材料并不允許有過大的變形，否則會造成嚴(yán)重的非貫穿性損傷。所以，用于防彈衣的纖維材料，必須要同時具有較高的彈性模量。

三是纖維的集合方式。紗線作為纖維的集合體，其斷裂過程與纖維的斷裂過程有很大的差別。纖維排列的伸直平行度、內(nèi)外層轉(zhuǎn)移次數(shù)、紗線捻度等都對面料的機械性能，尤其是拉伸強度、斷裂伸長率等指標(biāo)有重要影響。因此，紗線要盡量少加捻乃至不加捻，這樣才可以充分提高纖維的利用率。

四是織物的組織結(jié)構(gòu)。從理論上講，要獲得良好的的抗沖擊性能，應(yīng)當(dāng)采用單向、沒有交織點的UD技術(shù)材料。運用這一技術(shù)制成的織物也可以稱為無緯布。子彈或彈片的大部分能量可以通過沖擊點或沖擊點附近的纖維伸長斷裂被吸收。也就是說，無緯布消除了面料織物的應(yīng)力波反射和疊加的負(fù)面效應(yīng)，使應(yīng)力波的能量向外傳播得更快，進而顯著提高防彈性能。同時，平行排列的纖維結(jié)構(gòu)也可以大幅度提升面料的整體利用率。

五是紗線的表面特征。表面光滑、摩擦系數(shù)低的纖維受子彈沖擊后，纖維間傳遞能量的能力變差，應(yīng)力波不能迅速擴散，由此降低了織物阻擊子彈的能力。紗線表面油劑、水分的存在，也會降低子彈或彈片穿透材料的阻力，因此，往往要對防彈材料進行清洗和干燥等處理，以提高材料表面的摩擦阻力。

孫蓓表示，對于防彈衣面料的開發(fā)，應(yīng)兼顧傳統(tǒng)材料的改進和新型防彈材料的研發(fā)兩個方面，將新型高性能材料與傳統(tǒng)材料配合使用，達到優(yōu)勢互補。“通過對原料選擇及配比的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計、界面性能的控制以及生產(chǎn)工藝的恰當(dāng)選擇，在實驗基礎(chǔ)上靈活運用數(shù)值模擬手段進行理論設(shè)計和性能預(yù)測，以簡化防彈產(chǎn)品的設(shè)計和測試步驟，才能實現(xiàn)材料功能性開發(fā)與綜合性能的優(yōu)化，同時滿足材料的經(jīng)濟性與功能性要求。”孫蓓說道。

2期待芳綸與陶瓷深度結(jié)合

南京工業(yè)大學(xué)教授王然認(rèn)為，從應(yīng)用的角度來講，防彈材料需要具備高強度和高彈性模量，同時需要具有一定的韌性。只有在注重材料物理性能指標(biāo)的同時，關(guān)注其穩(wěn)定性和一致性，才能保證子彈能量被穩(wěn)定消耗而不發(fā)生穿透現(xiàn)象。

在綜合分析了多種防彈衣用材料性能之后，王然認(rèn)為，具有防彈性能好、制備工藝簡單、耐高溫、不產(chǎn)生彈體彈跳等優(yōu)點的芳綸陶瓷復(fù)合材料，是制備先進防彈衣的佳材料。“芳綸陶瓷復(fù)合材料主要應(yīng)用于對高威脅等級槍彈的防護，該材料成為國際市場上軍事工程、特種部隊、警用軍需等重要防護裝備之一?？上驳氖?，我們國內(nèi)企業(yè)在芳綸陶瓷復(fù)合材料方面的研究并不落后”。王然說道。

據(jù)王然介紹，芳綸陶瓷復(fù)合材料主要是依靠陶瓷粉碎和斷裂吸收能量，同時依靠芳綸背板增強陶瓷的防護能力達到良好的防彈效果。其中，陶瓷的主要作用是鈍化、侵蝕和破壞槍彈，以及傳遞沖擊載荷。

王然表示，在整套芳綸陶瓷復(fù)合材料中，芳綸背板的作用尤其重要。一方面，可以在陶瓷材料承受沖擊的載荷時給予陶瓷足夠的剛性支撐，實現(xiàn)陶瓷材料的高壓縮性能。另一方面，芳綸背板具有吸收槍彈和碎片的動能。芳綸陶瓷復(fù)合材料的制作有直接分為和冷卻固化兩種，其中，冷卻固化效果更佳。冷卻固化時，子彈穿透背板中無緯布的層數(shù)均在8層以內(nèi)，材料安全系數(shù)較高，可以使面料的防彈性能更加優(yōu)異。

孫蓓十分認(rèn)同王然的觀點。她表示，產(chǎn)業(yè)鏈上，纖維加工和復(fù)合材料制備兩大重要環(huán)節(jié)都實現(xiàn)突破，國產(chǎn)防彈復(fù)合材料可以取得實質(zhì)性進展。目前，國產(chǎn)芳綸產(chǎn)品和陶瓷基產(chǎn)品的工藝都處于國際領(lǐng)先水平，因此，國產(chǎn)防彈材料下一步的工作重點，是實現(xiàn)兩種材料的深度結(jié)合。

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