防彈衣研究概況

摘要：本文對防彈衣的歷史變革、分類、評價指標、使用的纖維材料種類、發(fā)展方向等方面進行探討，為研發(fā)出既能起到保護作用又能滿足舒適性且成本低的防彈衣打基礎。

關鍵詞：防彈衣；防彈纖維；防御性能；發(fā)展趨勢

1引言

防彈衣是在特定的環(huán)境下為了保證人的生存而佩穿的個體防護裝備，它能吸收和耗散彈頭、破片的動能，阻止穿透，有效保護人體受防護部位。目前，防彈衣主要是指保護前胸和后背的防彈背心，防止流彈及破片對人體重要部位造成殺傷。隨著防彈衣研究水平的提高，人們已不滿足于僅考慮防彈衣的防彈性能。無論從實用角度還是商業(yè)角度考慮，輕便、舒適是使用者和生產(chǎn)者共同追求的目標，這樣的防彈衣越來越受到使用者的青睞。

2防彈衣的發(fā)展史

作為一種重要的個體防護裝備,防彈衣經(jīng)歷了由金屬裝甲防護板向非金屬合成材料的過渡，又經(jīng)歷了由單純合成材料向合成材料與金屬裝甲板、陶瓷護片等復合系統(tǒng)發(fā)展的過程。

20世紀60年代末70年代初，Kevlar纖維的問世，不僅代表著合成纖維技術史上一個新的突破，而且也為防彈衣帶來了革命性的飛躍。1991年，荷蘭發(fā)明了Twaron纖維，并生產(chǎn)出了更輕、防彈性能更好、更透氣的超高分子量聚乙烯防彈衣。1998年，英國科學家利用從液體水晶中提煉出來的高分子纖維材料制成新型材料防彈衣，同時添加一種能夠有效防靜電的材料，制成了新的超級防靜電防彈衣。它不僅能防彈，而且還能在飛機、艦艇、油庫、彈藥庫這類怕靜電又易產(chǎn)生靜電火花的場所穿著，即使不慎發(fā)生爆炸，防彈衣也極具防護能力。

3防彈衣的分類

防彈衣有多種分類方式。根據(jù)防護等級，分為防彈片、防低速子彈、防高速子彈三級；根據(jù)式樣，分為背心式、夾克式、套頭式三種；根據(jù)使用對象，分為地面部隊人員防彈系統(tǒng)防破片背心、戰(zhàn)車乘員防彈系統(tǒng)防破片防彈衣、保安防彈衣、要人防彈衣等多個品種；根據(jù)使用范圍，分為警用和軍用兩種；根據(jù)使用材料，分為軟體、硬體和軟硬復合體三種。

硬體防彈衣又稱為增強型防彈衣，防彈材料以特種鋼板、超強鋁合金等金屬材料或者陶瓷等硬質(zhì)非金屬材料為主體 ,這類防彈衣雖然可以更有效地起到保護作用, 但是柔軟性較差 ,比較笨重，軍警一般只在十分危險的情況下使用。軟體防彈衣又稱為輕質(zhì)防彈衣，防彈材料以高性能紡織纖維為主，采用紡織品的結(jié)構，重量輕, 并且具有相當?shù)娜彳浶裕源┲孢m，軍警執(zhí)行日常任務時多穿這類防彈衣。軟硬復合式防彈衣以軟質(zhì)材料為內(nèi)襯，以硬質(zhì)材料為面板和增強材料，一定程度上集中了硬體、軟體防彈衣的優(yōu)勢,是現(xiàn)代防彈衣的發(fā)展方向。防彈衣以其防御能力分為七個等級。類防御能力低, 第七類防御能力強，通常用其所能抵御的武器來描述。低級別的防彈衣只能防御較小口徑、威力不大的手槍的子彈。一些高級別的防彈衣可以防御火力較強的步槍。至第三類基本上都是軟體防彈衣，第四至第七類中包括硬體和復合型防彈衣。

4防彈衣的防御性能及原理

防彈衣的防御性能主要體現(xiàn)在兩個方面, 首先是防御貫穿能力, 即防御子彈或爆炸產(chǎn)生的高速碎片的貫穿，避免人體受到直接傷害；其次是防御非貫穿性損傷能力，即在防彈衣未被子彈貫穿的情況下，盡可能減少彈體或碎片擊中防彈衣時沖擊力對人體造成的損傷。防彈衣的防御性能主要由防彈材料及其內(nèi)部結(jié)構決定。

防彈衣通過吸收和耗散射體的動能, 阻止其穿透,實現(xiàn)對人體受防部位的有效保護。防御原理主要包括兩個方面：一是“阻擋”，將彈體或碎片彈開，阻止其進入防彈衣；二是“擒拿”，將彈體或碎片接納后通過防彈材料消釋其動能, 使其無力穿透防彈衣進入人體。

4.1硬體防彈衣的防御性能及原理

硬體防彈衣屬于“阻擋”型，依靠堅硬的材料（厚陶瓷或金屬）將子彈擋出或撞碎，有效地起到保護作用。防御貫穿能力強，防御非貫穿性損傷能力較弱。

早期防彈衣大都是這種類型，材質(zhì)堅硬、沉重，靈活性差。誕生在英國的世界上件防彈衣就由純鋼制成，重達10千克，像歐洲中世紀武士的鐵甲，只能抵擋低速的流彈和碎彈片對士兵的傷害。美國在二、三十年代研制出的首批防彈衣也是靠連在上衣內(nèi)的鋼板提供防護。南北戰(zhàn)爭時期的鋼制胸甲，二戰(zhàn)時期用赫德費爾特鋼制成的防彈夾克，都是整體式鋼質(zhì)防彈衣，是早期防彈衣的代表。

我國防彈衣的研制工作也從硬體防彈衣開始。20世紀80年代末期，我國研究軍需防護裝備的專家周國泰和他的同事們研制成功“護神”系列防彈背心，是國產(chǎn)防彈衣的代表?！白o神”防彈衣以特種鋼為防彈材料，采用“鱗片”結(jié)構，使硬體得到“軟化”，具備了其他硬體防彈衣無法比擬的特性：保持防御貫穿能力強的優(yōu)勢，大大提高防御非貫穿性損傷能力，且防護面積大，重量輕，靈活性高，成本低（僅為“開夫拉”軟體防彈衣的1/4）。在德國巴伐利亞防彈制品彈擊檢測中心，“護神”防彈衣曾經(jīng)與美國芳綸防彈衣以比武的方式共同接受子彈射擊，兩者防貫穿能力相當，而防非貫穿性損傷能力，“護神”明顯優(yōu)于美國芳綸防彈衣。鮮為人知的1990年北京承辦的第十一屆亞運會，正是我國自行研制的“護神”防彈衣首次用于裝備亞運會的安全保衛(wèi)人員。

4.2軟體防彈衣的防御性能及原理

軟體防彈衣主要以高性能紡織纖維作為防彈材料，抗貫穿能力略遜，但抗非貫穿損傷能力優(yōu)于一般的硬體防彈衣。這類防彈衣屬于“擒拿”型，依靠高性能纖維吸收能量極強的能力，“抓住”子彈或碎片來達到防彈的目的。材質(zhì)軟化，重量輕，且便于拼接，使軟體防彈衣具有優(yōu)良的靈活性與舒適性。

彈頭打在防彈衣上，雖未穿透，但其沖擊動能通過防彈衣作用于人體，也可能造成人體的傷害尤其是內(nèi)臟傷害。這種在防彈衣的防護層未被貫穿或擊破的情況下，投射物的沖擊動能通過防護層作用于人體而對人體造成的傷害就稱為非貫穿性傷害；彈頭打在防彈衣上，穿透防彈衣，彈頭對人體造成的直接傷害為貫穿性傷害。

柔軟的纖維材料（類似于普通服裝所用材料）能擋住子彈，令人難以置信。由初的錦綸纖維、高強度錦綸纖維到芳綸纖維，即開夫拉（Kevlar），防彈衣材料有了很大突破。芳綸纖維非常輕，就像傳統(tǒng)的制衣纖維，但卻比同樣重量的鋼還堅韌五倍。如此高性能纖維，采用緊密的網(wǎng)狀結(jié)構，便可以吸收大量沖擊力。

纖維織成的密網(wǎng)，類似于足球門網(wǎng)，無論射體觸擊到網(wǎng)的哪一個位置，它的沖力都會被整個網(wǎng)所吸收。一層這樣的網(wǎng)吸收能量畢竟是有限的，為更有效防彈，輕型防彈衣由6層開夫拉織物構成，重型則達11層之多。這樣當射體與防彈層接觸時，切割拉伸紗線并使其斷裂，同時使織物內(nèi)部紗線之間和織物不同層面之間相互作用，造成整體形變。整個過程射體對外做功，消耗自身的能量，終被穩(wěn)穩(wěn)擒拿，達到避免穿透和減少內(nèi)傷的目的。

4.3軟硬復合式防彈衣的防御性能及原理

軟硬復合式防彈衣將軟質(zhì)材料的輕柔與硬質(zhì)材料的堅硬合為一體，使其具有更佳的抗貫穿能力和抗非貫穿損傷能力。一般地，復合式防彈衣以軟體防彈衣為主體，前片和后片加入硬質(zhì)防彈復合材料的防彈插板，增強對人體前胸、后背的保護。

不同的防彈要求,對應于不同厚度、不同重量和不同材料的防彈插板。當射體與防彈衣接觸時，首先是硬質(zhì)防彈插板與之發(fā)生作用。在這一瞬間的接觸過程中，射體和硬質(zhì)防彈材料都有可能發(fā)生形變或斷裂，消耗了射體的大部分能量。高強纖維織物作為防彈衣的襯墊和第二道防線，吸收、擴散子彈剩余部分的能量，并起到緩沖的作用，從而盡可能地降低了非貫穿性損傷。在這兩次防彈過程中，前一次發(fā)揮著主要的能量吸收作用，大大降低了射體的侵入力，是防彈的關鍵所在。

5防彈衣用纖維材料

防彈纖維材料有很多種，但迄今常用的還是對位芳酰胺纖維（P-ARF）和超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維（UFMWPEF）。近年來這2種纖維在成形工藝技術上都有重大突破，使防彈產(chǎn)品進一步實現(xiàn)輕量化、高性能化和舒適化。聚苯并雙噁唑（PBOF）可通過分子結(jié)構改性，改善其耐紫外光和儲存穩(wěn)定性。芳雜環(huán)類的芳綸Ⅲ等系列產(chǎn)品，因成本高，主要用于國防軍工的防彈防爆領域。人造蜘蛛絲是氨基酸類的高度取向纖維，具有高強高模和高韌性，但尚未完全產(chǎn)業(yè)化。超高性能碳纖維的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)碳纖維因斷裂伸長率小而不能用于防彈領域的概念，已開始應用于新型軍用防彈裝備，對提升先進武器裝備具有重大意義。

5.1尼龍

20世紀50年代，美軍首先試驗使用尼龍這類軟質(zhì)合成纖維材料制做防彈衣。他們發(fā)現(xiàn)1 2層特制尼龍纖維布可收到一定的防彈效果。當子彈擊中防彈衣時，縱橫交織的多層尼龍纖維像網(wǎng)一樣裹住子彈。子彈如繼續(xù)運動就必須拉伸尼龍纖維。尼龍纖維的張力降低了子彈的運動速度，消耗并吸收了子彈的動能。由于彈片的動能和運動速度一般比子彈低得多，所以尼龍防彈衣對彈片的防護作用更明顯。但是，由于尼龍纖維的抗張強度所限，所以尼龍防彈衣要收到好的防護效果，重量需在4.5Kg以上。而穿上這么重的防彈衣，士兵的作戰(zhàn)能力至少要降低30%。

5.2Kevlar

Kevlar纖維全稱為“聚對苯二甲酰對苯二胺”纖維，是美國杜邦公司于20世紀60年代中期研制出的一種合成纖維。它的抗張強度極高，是尼龍纖維的兩倍多；而吸收彈片動能的能力是尼龍的1.6倍，是鋼的兩倍。它的出現(xiàn)使防彈衣的防護性能有了明顯提高。多層Kevlar織物對槍彈也能起到較好的防護效果，即由幾十層Kevlar纖維和其他面料可加工制成防彈衣。當子彈擊中防彈衣時，Kevlar纖維便被拉伸從而將子彈的沖擊力分散到織物中的其他纖維上。由于用Kevlar制成的防彈衣比尼龍防彈衣重量輕，防彈性能好，所以它受到了許多國家軍隊和警察的青睞。

5.3PBO纖維防彈復合材料

PBO纖維是聚苯并雙噁唑纖維的簡稱，具有很好的耐熱性能和阻燃性能，被認為是目前強度高、綜合性能好的高性能有機纖維。

PBO纖維突出的高強、高韌性能使其具有極佳的能量吸收特性，同時其微纖化結(jié)構和較低的界面粘接性能使其復合材料可通過原纖化和分層變形進一步吸收沖擊能量，因此特別適合用于防護領域的抗彈抗沖擊材料。在相同的條件下，PBO纖維復合材料的大沖擊載荷和能量吸收遠高于芳綸和碳纖維。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。

5.4超高分子聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維的密度很低,再加上其優(yōu)異的力學性能和能量吸收性能,使得超高分子量聚乙烯纖維在個體防彈領域有著廣泛的應用。但它在橫向力學、高溫力學和多種樹脂的粘結(jié)方面性能較差。

5.5蜘蛛絲

1997年初,美國生物學家發(fā)現(xiàn)，一種名為“黑寡婦”的蜘蛛可吐出兩種高強度的絲，一種絲的斷裂伸長率為27%；另一種絲則具有很高的防斷裂強度，比制造防彈背心的Kevlar纖維的強度還高得多。這種蜘蛛網(wǎng)質(zhì)地比鋼鐵還堅韌而且非常輕巧，比合成材料或生物聚合體輕25%，具有強度大、彈性好、柔軟、質(zhì)輕等優(yōu)良性能，因此非常適合制造防彈衣。但由于來源極為有限,因此無法進行規(guī)模化生產(chǎn)。

5.6液體防彈纖維

這種新型防彈衣的奇特之處是，在制作防彈衣常用的Kevlar纖維里面加入了一種“黏稠液體”。這種液體類似一種能量防護罩，可對高速物體迅速反應從而起到防護作用，卻對低速物體沒有反應。正常情況下，這種“黏稠液體”與其他液體一樣，很柔軟，可以變形?？墒?，一旦高速彈片或彈頭觸到它，它就能瞬間轉(zhuǎn)變成一種硬質(zhì)材料，吸收撞擊在它表面的彈片或彈頭產(chǎn)生的沖擊力，迅速消散掉高速飛行的子彈所具有的巨大動能和沖量。英國科學家已經(jīng)對這種防彈衣的防彈性能做過測試并取得良好的防彈效果。同時還將進一步加大研發(fā)力度，使“液體”防彈衣不僅能抵御手槍子彈，還能承受突擊步槍的掃射。

6防彈衣評價指標

軟質(zhì)防彈衣主要由防彈層和外套組成。防彈層是防彈衣的核心部分，它是由多層防彈材料構成，目前主要是芳綸材料和高性能聚乙烯材料。當前，我國有兩個標準指導防彈衣的研發(fā)、生產(chǎn)和采購，GA 141-2001《警用防彈衣通用技術條件》和GJB 4300-2002《軍用防彈衣安全技術性能要求》。而國際上比較通用的是美國防彈衣標準NIJ 0101.04《BALLISTIC RESISTANCE OF PERSONAL BODY ARMOR》。

6.1 防彈速度V50

防彈速度V50是評估防破片性能的一個重要指標。它是指模擬破片在規(guī)定彈速范圍內(nèi)，對受試樣品形成穿透概率為50%的極限速度。殘值越高，防彈材料的防彈性能越好。

6.2穿透層數(shù)

單純根據(jù)“穿透層數(shù)”來判定防彈衣的安全性是不確切的。因為穿透層數(shù)與防彈衣所用的防彈材料及防彈材料的重量有關。在同樣防護等級的情況下，防彈衣所需防彈材料的層數(shù)不一樣，因此要以穿透層數(shù)作為安全性的評比標準，只有在使用相同的防彈材料的前提下才能采用。

6.3凹陷深度

將“凹陷深度”作為非貫穿性損傷性能指標，應考慮背襯材料剛性的影響。在剛性相同的情況下，一般凹陷深度越大，相應的非貫穿性損傷也越大。如果一味地追求防彈衣較小的凹陷深度，必然會降低防彈衣穿著的舒適性及服用性。因此，只要凹陷深度指標在標準范圍（25mm）以內(nèi)就是合格的產(chǎn)品。

7防彈衣的發(fā)展趨勢

7.1重點發(fā)展防彈材料和織造工藝

防彈衣的重點是發(fā)展新的防彈材料，包括硬質(zhì)和軟質(zhì)防彈材料。硬質(zhì)防彈材料要求薄且密度大，質(zhì)量小，防彈性能好；軟質(zhì)防彈材料要求柔軟，抗拉和抗斷裂性強，SP模數(shù)和破壞延伸率大等。此外，防彈衣在制造工藝上要求較高，如軟質(zhì)防彈纖維的處理和編織有不同的方法，而防彈衣的防水性能、防紫外線和防紅外線性能也有待進一步提高。

7.2防彈衣要多樣化

防彈衣應根據(jù)職業(yè)要求和環(huán)境的不同，研究出不同的款式、顏色和花樣，以滿足使用者的要求。防彈衣應朝著使穿著者既方便又舒適的方向發(fā)展。

7.3防彈衣向標準化方向發(fā)展

目前，各國的防彈衣大多采用本國的防彈標準，使用起來有諸多不便，今后很可能朝著使用國際統(tǒng)一的防彈標準的方向發(fā)展。

8結(jié)束語

防彈衣是現(xiàn)代化軍隊和警察不可缺少的一種防護裝備。自問世以來，防彈衣對減少部隊作戰(zhàn)人員和警察執(zhí)行任務時的傷亡起了重要作用。隨著科學技術的進步，新型防彈材料的出現(xiàn)和制造工藝的改進，防彈衣必將得到進一步的發(fā)展。