“芳綸+陶瓷”防彈效果更佳

近日，美國(guó)科學(xué)家開(kāi)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(jī)械強(qiáng)度，而且經(jīng)過(guò)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(duì)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(duì)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(qiáng)度。同時(shí)，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(qiáng)度、模量、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂功等物理性能指標(biāo)。從理論上說(shuō)，拉伸強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)變形能力強(qiáng)的材料，其吸收能量的潛力越大。但在實(shí)踐中，用于防彈衣的材料并不允許有過(guò)大的變形，否則會(huì)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(shí)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(guò)程與纖維的斷裂過(guò)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(duì)面料的機(jī)械性能，尤其是拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)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(méi)有交織點(diǎn)的UD技術(shù)材料。運(yùn)用這一技術(shù)制成的織物也可以稱為無(wú)緯布。子彈或彈片的大部分能量可以通過(guò)沖擊點(diǎn)或沖擊點(diǎn)附近的纖維伸長(zhǎng)斷裂被吸收。也就是說(shuō)，無(wú)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(jìn)而顯著提高防彈性能。同時(shí)，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(kuò)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(huì)降低子彈或彈片穿透材料的阻力，因此，往往要對(duì)防彈材料進(jìn)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(duì)于防彈衣面料的開(kāi)發(fā)，應(yīng)兼顧傳統(tǒng)材料的改進(jìn)和新型防彈材料的研發(fā)兩個(gè)方面，將新型高性能材料與傳統(tǒng)材料配合使用，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。“通過(guò)對(duì)原料選擇及配比的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)、界面性能的控制以及生產(chǎn)工藝的恰當(dāng)選擇，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上靈活運(yùn)用數(shù)值模擬手段進(jìn)行理論設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)，以簡(jiǎn)化防彈產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和測(cè)試步驟，才能實(shí)現(xiàn)材料功能性開(kāi)發(fā)與綜合性能的優(yōu)化，同時(shí)滿足材料的經(jīng)濟(jì)性與功能性要求。”孫蓓說(shuō)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(lái)講，防彈材料需要具備高強(qiáng)度和高彈性模量，同時(shí)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(shí)，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(jiǎn)單、耐高溫、不產(chǎn)生彈體彈跳等優(yōu)點(diǎn)的芳綸陶瓷復(fù)合材料，是制備先進(jìn)防彈衣的佳材料。“芳綸陶瓷復(fù)合材料主要應(yīng)用于對(duì)高威脅等級(jí)槍彈的防護(hù)，該材料成為國(guó)際市場(chǎng)上軍事工程、特種部隊(duì)、警用軍需等重要防護(hù)裝備之一。可喜的是，我們國(guó)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(shuō)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(shí)依靠芳綸背板增強(qiáng)陶瓷的防護(hù)能力達(dá)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(shí)給予陶瓷足夠的剛性支撐，實(shí)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(dòng)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(shí)，子彈穿透背板中無(wú)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(diǎn)。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(shí)現(xiàn)突破，國(guó)產(chǎn)防彈復(fù)合材料可以取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。目前，國(guó)產(chǎn)芳綸產(chǎn)品和陶瓷基產(chǎn)品的工藝都處于國(guó)際領(lǐng)先水平，因此，國(guó)產(chǎn)防彈材料下一步的工作重點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)兩種材料的深度結(jié)合。

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