導讀

    國產(chǎn)軍事大作《戰(zhàn)狼2》正在全國火爆上映，票房已經(jīng)達到30億。如果你最近觀看過這部電影的話，一定對畫面上呼嘯紛飛的子彈心有余悸。冷鋒被雇傭軍狙擊時，一顆子彈被胸前的防彈擋板硬生生攔截住，保住了性命，也讓冷鋒發(fā)現(xiàn)了射殺他妻子的兇手。假如身處炮火之中，擁有一件360度無死角的防彈衣，該是多么幸運的一件事！戰(zhàn)爭總是會促使人類不斷提高攻擊和防御能力，而材料的發(fā)展提供了無限的可能。從歷史上所用的鋼鐵鎧甲，到今天的時尚防彈西裝，防彈材料發(fā)生了怎樣的變革？未來的防彈材料會是什么樣的？ 今天小編帶你了解----防彈衣的前世，今生和未來。

 

    1 什么是防彈衣？

    防彈衣是能吸收和耗散彈頭、破片動能，阻止穿透，有效保護人體受防護部位的一種服裝，是個體防護裝備的重要組成部分。

    2 防彈衣的種類

    防彈衣的品種與型號較多

    式樣分背心式、茄克式、套頭式

    防護等級分防彈片、防低速子彈、防高速子彈

    使用對象分地面部隊人員防彈系統(tǒng)防碎彈片背心、戰(zhàn)車乘員防彈系統(tǒng)防碎彈片防彈衣、保安防彈衣、要人防彈衣等多個品種

    材質(zhì)分以 Kevlar（芳綸）、Twaron（芳綸）、Spectra（超高分子量聚乙烯） 等高性能纖維制備而成的軟體防彈衣，以超強鋁合金、氧化鋁、碳化硅等硬質(zhì)非金屬材料為主體的硬體防彈衣，以及以軟質(zhì)材料和硬質(zhì)材料結(jié)合而形成的復合型防彈衣

    3 防彈機理

    以金屬和陶瓷類為主的防彈材料主要是利用自身的強度、硬度使彈體受挫、毀壞并將碎裂后的彈體碎片彈開，以達到防彈目的。以高性能纖維為主的軟體防彈材料主要通過織物的變形、織物的破壞、織物與子彈的接觸摩擦、子彈撞擊防彈層后發(fā)出聲音以及彈體的變形等方式消耗子彈能量，達到防彈目的。

    4 防彈衣的發(fā)展歷史

    冷兵器時代，鎧甲是最昂貴有效的防護工具，優(yōu)秀的重型鎧甲面對冷兵器有著絕對的優(yōu)勢，比如中國的步人甲，西方的板甲。途中就是宋代的步人甲（下圖），可以有效防御弓箭的攻擊。甲胄就是為了防御而誕生。直至今天，西方仍然再用Body Armor來稱呼防彈衣。

    我國是世界上最早使用盔甲的國家之一，早在宋朝沈括的《夢溪筆談》中就有關(guān)于鋼盔鎧甲的記載。1942年10月，英軍首先研制成功了由高錳鋼板組成的防彈背心，而在 1945 年，美軍研制成功鋁合金與高強尼龍組合的防彈背心。

    隨著科學技術(shù)的發(fā)展，新材料新技術(shù)的涌現(xiàn)，現(xiàn)代的防彈衣也具備了更加出色的防護性能。近代防彈衣發(fā)展至今至第四代。

 

    第一代：硬體防彈衣

    第一代硬體防彈衣主要用特種鋼、 鋁合金等金屬作防彈材料。這類防彈衣的特點是：服裝厚重，通常約有20千克，穿著不舒適，對人體活動限制較大，具有一定的防彈性能，但易產(chǎn)生二次破片。

 

 

    1945 年，美軍研制成功鋁合金與高強尼龍組合的防彈背心。這是防彈衣款式的一個重大突破，也使防彈衣的重量大大減輕。當時所用的尼龍是剛發(fā)明不久的尼龍66。僅用于防彈衣的衣套，起防彈作用的仍舊是鋁合金板，所以這種防彈衣仍然屬于硬體防彈衣范疇。

    第二代：軟體防彈衣

    軟體防彈衣通常由多層纖維織物制成，最初的材料是用尼龍66，后期改用Kevlar，UKMWPE等高性能纖維織物制成。其重量輕，通常僅為2～3千克，且質(zhì)地較為柔軟，適體性好，穿著也較為舒適，內(nèi)穿時具有較好的隱蔽性，尤其適合警察及保安人員或政界要員的日常穿用。在防彈能力上，一般能防住5米以外手槍射出的子彈，不會產(chǎn)生二次彈片，但被子彈擊中后變形較大，可引起一定的非貫穿損傷。另外對于步槍或機槍射出的子彈，一般厚度的軟體防彈衣難以抵御。

    1）Nylon防彈衣

    事實上，第一款軟體防彈衣應(yīng)該是朝鮮戰(zhàn)爭時期美陸軍裝備的由12層防彈尼龍制成的T52型全尼龍防彈衣。60年代的越南美陸軍所配備的M69式防彈衣也屬于尼龍軟體防彈衣。

 

    尼龍66的結(jié)構(gòu)式

 

    尼龍66疲勞強度和鋼性較高，耐熱性較好，摩擦系數(shù)低，耐磨性好，但吸濕性大，尺寸穩(wěn)定性不夠（性能如后面表1所示）。尼龍纖維的抗張強度也有限，尼龍防彈衣要收到好的防護效果，重量需在4.5公斤以上。據(jù)有關(guān)專家的試驗和分析，穿上這么重的防彈衣，士兵的作戰(zhàn)能力會降低30%以上。同時，因為尼龍的透氣性差，在潮濕炎熱的越南戰(zhàn)場上，美軍士兵難以忍受尼龍防彈衣所帶來的負擔和悶熱。

    2）Kevlar防彈衣

    70年代初，一種具有超高強度、超高模量、耐高溫的合成纖維——凱夫拉（Kevlar）由美國杜邦（DuPont）公司研制成功，并很快在防彈領(lǐng)域得到了應(yīng)用。這種高性能纖維的出現(xiàn)使柔軟的紡織物防彈衣性能大為提高，同時也在很大程度上改善了防彈衣的舒適性。美軍率先使用Kevlar制作防彈衣，并研制了輕重兩種型號。新防彈衣以Kevlar纖維織物為主體材料，以防彈尼龍布作封套。其中輕型防彈衣由6層Kevlar織物構(gòu)成，中號重量為3.83千克。相比尼龍和玻璃纖維防彈衣，重量減輕50%；在單位面積質(zhì)量相同的情況下，其防護力至少可增加1倍，并且具有很好的柔韌性。

 

    “Kevlar”（凱夫拉）是商標名，實際材質(zhì)為聚對苯二甲酰對苯二胺，它是屬于一種液態(tài)結(jié)晶性棒狀分子。這種液態(tài)結(jié)晶性棒狀分子結(jié)構(gòu)，可以在濃溶液中形成高度有序的相疇，在紡絲定向拉伸時，相疇沿著剪切方向形成幾乎完美的分子取向，而賦予凱夫拉纖維極高的強度和模量。凱夫拉纖維的性能如文中表1所示。

 

    Kevlar纖維及制品全球范圍內(nèi)的主要品牌有：美國杜邦公司的Kevlar纖維、荷蘭阿克蘇諾貝爾（Akzo Nobel）公司（已與帝人合并）的Twaron纖維、日本帝人公司的Technora纖維、俄羅斯的Terlon纖維、煙臺泰和新材的Taparan（泰普龍）纖維。由于其功能團在苯環(huán)的1，4位連接，所以我國稱其為芳綸1414，也稱為芳綸II。

    3）超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維防彈衣

    超高分子量聚乙烯英文名ultra-high molecular weight polyethylene（簡稱UHMWPE），是分子量150萬以上的無支鏈的線性聚乙烯。分子式：—（—CH2-CH2—） n——，密度：0.920～0.964g/cm3。熱變形溫度（0.46MPa）85℃，熔點130～136℃。UHMWPE纖維在20世紀70年代首先研制成功，但當時所用的聚乙烯分子量較低，伺候荷蘭DSM公司發(fā)明了凝膠紡絲法，制備出了高性能的UHMWPE纖維，并實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，在90年代開始用于制備防彈衣。

 

    與凱夫拉剛性的分子結(jié)構(gòu)不同，超高分子量聚乙烯以其超長柔性的分子鏈和較低支化度可以保證晶區(qū)的規(guī)整折疊，使其具有無可比擬的耐沖、耐磨和自潤滑等特性。然而，超長的分子鏈也使聚合物存在許多拓撲限制點或纏結(jié)點，固態(tài)下，纏結(jié)點沿分子鏈分布呈現(xiàn)高度不均一，熔融時增加了材料熔體粘度，大大抑制了加工性能，熔融加工較為困難。紡絲時，一般提前將其溶脹在溶液中，減少分子鏈纏結(jié)點，然后通過預(yù)拉伸去除溶劑，后期經(jīng)多級超倍拉伸，使聚乙烯分子鏈達到接近完美的取向結(jié)晶狀態(tài)，從而制得高強度纖維。紡絲工藝如圖所示。

    UHMWPE纖維與其它高性能纖維相比，比強度最優(yōu)。碳纖維的比模量突出，但也正因為如此，柔韌性欠佳，對沖擊能的吸收較差，不適合做人體防彈衣。

    注：Dyneema SK66是荷蘭DSM公司生產(chǎn)的一種UHMWPE纖維牌號

 

    我國在2000年由寧波大成聯(lián)合科研院實現(xiàn)了UHMWPE纖維產(chǎn)業(yè)化，是世界上第四個具有自主知識產(chǎn)權(quán)生產(chǎn)UHMWPE纖維的國家。公司主要有中紡投資北京同益中特種纖維有限公司、寧波大成新材料股份有限公司和湖南中泰特種裝備有限責任公司，最近幾年纖維生產(chǎn)發(fā)展起來的企業(yè)有：北京威亞、山東愛地（DSM）公司收購、山東泰豐、江蘇琇珀、江蘇矩通、江蘇高鴻、上海斯瑞、上海豪嘉特、浙江千禧龍、浙江翔盛、浙江金昊、浙江東南化纖、江蘇儀征化纖等近20家企業(yè)。

    第三代：復合防彈衣

    復合式防彈衣其基本是軟式防彈背心（OTV），在預(yù)留央層中放置一定厚度的防彈插板（SAPI），以增大反彈的功能，主要用在重火力場合。防彈插板通常以輕質(zhì)陶瓷片、金屬或者纖維復合材料為外層，Kevlar，UHMWPE等高性能纖維織物作為內(nèi)層，經(jīng)粘結(jié)復合而成。

 

    現(xiàn)在美軍所裝備的IBA（攔截者）防彈衣系統(tǒng)就是這樣的典型代表。IBA主要由軟質(zhì)的防彈背心（OTV）加上硬質(zhì)的防彈插板（SAPI）組成，能夠在近距離抵擋步槍彈，包括7.62口徑的全威力彈（7.62x54r或7.62x51 NATO）。SAPI由氧化鋁和UHMWPE織物層復合而成。

 

    國內(nèi)中紡投資所產(chǎn)的STRIKE FACE背心防彈插板同樣采用氧化鋁陶瓷板+UHMWPE織物層復合材料。

    第四代：液體防彈衣

    2002年，美國Wanger博士首先制備出STF-Kevlar液體防護復合材料，有優(yōu)異的防彈性能。2006年，英國一家公司宣布制得高性能STF，可用于制備液體防彈衣。2013年，英國BAE系統(tǒng)公司研制出新型液體防彈衣，由STF與Kevlar纖維復合而成。

    這種STF材料就是一種剪切增稠液體（Shear Thickening Fluid），這種液體一般由分散粒子SiO2和有機物分散介質(zhì)乙烯基乙醇、聚乙二醇、局丙二醇或者礦物油等一種或幾種的混合物組成。“剪切增稠液”中自由懸浮著粒子，當液體因為劇烈沖擊而被攪亂時，其中的特殊粒子相互碰撞，形成了對這種攪動的抵抗力。當攪動力足夠大時，這些粒子其實就已被相互“鎖定”。當子彈高速撞擊這種材料時，“剪切增稠液”防彈衣就會吸引撞擊能量，并迅速變得極其堅硬，從而吸收子彈的沖擊能量。

 

 

    用STF制作防彈衣時，研究人員首先用酒精稀釋液體，然后將凱夫拉纖維泡在稀釋后的液體中，再放進烤箱中蒸發(fā)掉酒精。這樣STF就滲入凱夫拉纖維中，而纖維也適時地固定住這種充滿粒子的液體。當一個物體敲擊凱夫拉纖維時，液體會立刻變硬，讓凱夫拉纖維更牢固。變硬只是幾毫秒內(nèi)的事，很快，這件防彈衣又變得柔韌了。如上圖所示。

    2013年11月14日，中物功能材料研究院成功研制了液體防彈衣（如下圖所示），達到世界領(lǐng)先水平，填補了國內(nèi)空白，打破了國際壟斷，使我國成為世界上繼美國和英國之后第三個掌握該項技術(shù)的國家。用該材料制作的防彈衣比傳統(tǒng)防彈衣的厚度減少45%，防彈性能提升30%左右。

 

    而且利用“剪切增稠液體”處理升級的新型防彈衣可以做到全身防護，其柔軟堅韌，可以制造連袖子帶褲腿的全套衣服，保護軍警的任何部位，無論人的身體如何彎曲防彈衣的防護性能都不會受損，這才是真正的防彈衣。

    其它新型防彈材料

    1）新型碳材料

    （1）碳納米管

    碳納米管是迄今為止發(fā)現(xiàn)的力學性能最好的材料之一，有著極高的拉伸強度和斷裂伸長率。其密度只有鋼鐵的六分之一到四分之一，單位質(zhì)量上的拉伸強度，卻是鋼鐵的276倍，彈性模量參數(shù)，碳納米管比凱夫拉強2.4倍，綜合性能遠遠超過目前人類發(fā)現(xiàn)和制造的其他任何材料。防彈效果上主要是體現(xiàn)在彈性模量上，也就是說碳納米管纖維盔具或防彈衣比凱夫拉的抗擊強度最起碼高2.4倍。

    但光有碳納米管還不夠，還需要批量制備出具有宏觀長度并且具有理論力學性質(zhì)的碳納米管，可以進行有序編織或排列。2013年，清華大學魏飛教授帶領(lǐng)團隊制備出了超過0.5米長的碳納米管，創(chuàng)造了新的世界紀錄，較之前提高一倍多。

 

    據(jù)R&D雜志2013年11月5日報道，加拿大多倫多的Garrison Bespoke公司推出了首套時尚防彈西裝，不僅穿著舒適、美觀、而且可以替代傳統(tǒng)而笨重的凱夫拉纖維防彈衣。并對其防彈效果在加拿大安大略省的有關(guān)俱樂部進行了彈藥實地測試。此防彈衣是由納米技術(shù)制得的碳納米管構(gòu)成，最初是為在伊拉克的美軍第19部隊特種兵而設(shè)計開發(fā)的，專利材料更薄、更柔軟，重量只有傳統(tǒng)防彈衣使用的凱夫拉（Kevlar）的一半，而且還可以防刺傷，通過碳納米管硬化影響防止刀具穿透。不過其價格不菲，一件能夠預(yù)防9 mm口徑手槍近射防彈衣的成本約為800美元，而三件套防彈衣定制起價2萬美元。

    中航愛創(chuàng)客平臺的碳納米新型輕質(zhì)防彈衣采用浮動催化工藝獲得了大面積高純度的碳納米管薄膜，將碳納米管管紡成紗，再將多層碳納米管薄膜經(jīng)過處理后粘結(jié)在一起，制備成“無紡布”形成，從而使碳納米管薄膜防彈材料變成了可以裁剪的真實的材料，制成防彈西裝或馬甲。

    （2）石墨烯

    作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

 

    研究石墨烯防彈衣的科學家表示，石墨烯制成的防彈衣?lián)碛?倍于現(xiàn)有防彈衣技術(shù)（凱夫拉纖維）的防護能力。美國萊斯大學的研究人員進行了一次微觀彈道測試，以一顆微小的硅粒以3000米/秒的速度射向單層石墨烯，發(fā)現(xiàn)這種蜂巢形結(jié)構(gòu)的材料可有效分散動能，其能力比鋼材強10倍。這次實驗中硅粒的初速達到了步槍的3倍，測試證明，如果在宏觀層面應(yīng)用石墨烯擁有非常強大的防彈能力。電子顯微鏡顯示，石墨烯吸收了撞擊的能量，本身變形成一個圓錐的形狀，并向多個方向外擴散，在一定半徑內(nèi)碎裂。研究人員李杰黃（音）表示，這個碎裂的過程是單層石墨烯的弱點，但即使如此它也比凱夫拉強2倍，比鋼鐵強10倍。目前石墨烯依然不能單獨制成強有力的材料，但是能多層復合到結(jié)構(gòu)材料中，這樣就能制止其受彈擊后向外碎裂的過程。

    2016年10月19日，“第二屆軍民融合發(fā)展高技術(shù)成果展”上，青島華高墨烯科技股份有限公司展出了自主研發(fā)的石墨烯防彈材料。采用自主開發(fā)的石墨烯改性技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的防彈材料，石墨烯防彈材料拉伸強度提升25%，定伸強度提升80%，耐溫性提高到180℃，重量減輕10%-20%，抗沖擊力提高30%，防彈效果大大增強。該項目突破了基礎(chǔ)材料性能改性方面的技術(shù)瓶頸，可廣泛應(yīng)用于武裝直升機防護裝甲、防彈衣、輕型防護裝甲、防爆裝備等軍工產(chǎn)品中，在民用防彈材料市場及軍用防彈材料市場均具有廣闊的市場前景。

    （3）壓縮玻璃碳

    亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學國家重點實驗室（燕山大學）田永君教授、趙智勝教授等人與國內(nèi)外科學家合作，以玻璃碳為初始原料，利用高壓配合較溫和的溫度條件合成了一種新型碳的同素異形體。其保留了玻璃碳的一些結(jié)構(gòu)特征，故被命名為“壓縮玻璃碳”。

    壓縮玻璃碳是一種新型碳材料，具備石墨和金剛石的成鍵特征，是一種由sp2和sp3組成的混合雜化物，具有奇異的性能，密度和導電性與石墨相近。其壓縮強度明顯高于金屬和陶瓷材料，比強度是碳纖維、聚晶金剛石、碳化硅和碳化硼陶瓷的2倍以上。其硬度與寶石相當，可刻劃碳化硅單晶。其局部變形的壓入彈性恢復率在70%以上，明顯高于金屬和陶瓷材料，甚至高于形狀記憶合金和有機橡膠。壓縮玻璃碳集輕質(zhì)、超強、高硬、高彈和良好導電性于一身，具有優(yōu)異的綜合性能和許多潛在應(yīng)用，如軍用裝甲和航空航天等領(lǐng)域。

    2）人造蜘蛛絲

 

    蜘蛛絲具有很高的強度，有人發(fā)現(xiàn)，有的蜘蛛絲其強度比芳綸和超高分子量聚乙烯纖維的強度還大，是鋼的5～10倍。一種叫達爾文樹皮的蜘蛛產(chǎn)出的蛛絲韌性達到凱夫拉纖維的十倍。蜘蛛絲的彈性和柔韌性都很好，耐沖擊性強。耐低溫性能好，在-40℃的條件下仍能保持其彈性，在需要低溫使用的場合，其優(yōu)點特別顯著。是制作防彈衣的立項材料。而且，蜘蛛絲是由蛋白質(zhì)組成，因而是生物可降解的，不會對環(huán)境造成污染。

    但蜘蛛因為捕獵的需要和同類相食的習性無法大規(guī)模養(yǎng)殖，而且蜘蛛的產(chǎn)絲量相比蠶也很低，因此無法通過人工養(yǎng)殖達到量產(chǎn)。通過人工基因改造的方法生產(chǎn)蛛絲蛋白，通過人工紡絲的方法制備所謂的人造蛛絲。

    加拿大Nexia生物技術(shù)公司，美國杜邦公司，日本的Spiber公司等，通過基因改造的方法，從羊奶或酵母菌分泌液中提取出了類似于蜘蛛絲蛋白。而美國的Bolt Threads公司和日本的spiber公司更是利用量產(chǎn)的蜘蛛絲蛋白，紡出人造蜘蛛絲，并制成了衣服和領(lǐng)帶。

 

    但遺憾的是，經(jīng)過漫長的探索，到現(xiàn)在仍無法大量生產(chǎn)人造蜘蛛絲，且人造蜘蛛絲的強度只能達到天然蜘蛛絲的1/3，還無法達到防彈纖維的要求。但由于蛛絲這種蛋白纖維具有合成纖維一些不具備的優(yōu)點。例如，尼龍纖維雖然十分堅韌，但是當溫度過高時，尼龍并不會燃燒，而是直接融化，這很容易讓士兵陷入困境。蛋白質(zhì)纖維不會出現(xiàn)這樣的情況，而且更輕更堅固。因此美國軍方組織仍然在投入經(jīng)費持續(xù)這種材料的開發(fā)。

    3）八目鰻粘液

    八目鰻（Hagfish）有點像生活在水下的蜘蛛俠。當它們遭到捕食者攻擊時，它們會朝捕食者的嘴巴和鰓部射出一種黏滑的物質(zhì)，這種物質(zhì)可以幫助它們逃離捕食者。

    八目鰻的防御性粘液主要包括兩個組成部分，線狀蛋白和黏蛋白。線狀蛋白的長度為15厘米，在與海水混合后會膨脹，產(chǎn)生大量透明黏液，其中包含著大量非常薄但具有極強韌性和伸縮性的纖維。

    材料工程師Ryan Kincer博士表示：“卷起的線狀蛋白表現(xiàn)得像一個彈簧，由于其儲存的能量導致其與水接觸時迅速解開。線狀蛋白、粘蛋白和海水之三者相互作用后產(chǎn)生一個三維的粘彈性網(wǎng)絡(luò)，隨著時間的推移，線狀蛋白自身開始‘塌陷’，導致粘液慢慢消散。研究顯示，八目鰻分泌物可以膨脹至其初始體積的10000倍。”

    現(xiàn)在， 美國海軍的一組科學家和工程師團隊已經(jīng)找到了一種方法來合成八目鰻粘液，旨在為軍隊提供一種有價值的新材料，有望能擊退鯊魚或提供彈道防護。

 

    5 結(jié)語

    總體來說，防彈材料的開發(fā)在朝著舒適輕量、全方位防護和仿生化的方向快速發(fā)展。新材料的不斷出現(xiàn)，為防彈材料的開發(fā)提供了越來越多的可能，不同的新材料，也總有最適合的應(yīng)用形式和場所。但是，小編衷心地希望，這世界上的戰(zhàn)爭越來越少，防彈衣不是用來抵擋同類的傷害，而是在將來的某一天，抵御來自地球外生物的入侵和攻擊。

 

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動態(tài)，我們網(wǎng)站會不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護網(wǎng)http://www.ecorr.org

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網(wǎng)電子期刊》征訂啟事

投稿聯(lián)系：編輯部

電話：010-62313558-806

郵箱：fsfhzy666@163.com

中國腐蝕與防護網(wǎng)官方 QQ群：140808414