貫穿人類(lèi)歷史的許多沖突導(dǎo)致了戰(zhàn)斗和戰(zhàn)爭(zhēng)。防彈衣在使作戰(zhàn)人員盡可能安全地抵御各種武器方面至關(guān)重要。在歷史上，不同文化和社會(huì)發(fā)現(xiàn)了許多不同種類(lèi)的防彈衣，每種防彈衣都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，全金屬防彈衣在阻擋劍或箭攻擊方面非常有效，但與全皮革防彈衣相比，后者具有更好的機(jī)動(dòng)性，可以保護(hù)免受輕微割傷，但穿戴者容易受到重?fù)魝Α?/span>

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)中武器技術(shù)的進(jìn)步和演變，防彈衣也在不斷發(fā)展，使舊技術(shù)幾乎過(guò)時(shí)。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中使用的武器比前人使用的更加致命和多樣化，因此對(duì)它們需要更先進(jìn)的保護(hù)。

現(xiàn)代防彈衣的類(lèi)別

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，防彈衣不僅要求具有防彈性能和防護(hù)性能，還要求輕量化，且具有較高的透氣透濕性。因此，現(xiàn)代防彈衣使用了復(fù)合材料，這些材料通過(guò)將兩種或更多具有不同性質(zhì)的材料組合而成，創(chuàng)造出卓越的性能特征。這些復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)組成在確定其對(duì)穿戴者的保護(hù)效果方面起著至關(guān)重要的作用。

軟質(zhì)防彈衣復(fù)合材料

通常情況下，用于軟質(zhì)防彈衣應(yīng)用的是超高分子量聚乙烯（UHMWPE），如Dyneema和Spectra，或芳綸纖維，如Kevlar和Twaron。這些纖維被編織在一起，并嵌入樹(shù)脂基體中，形成具有很高拉伸強(qiáng)度的復(fù)合結(jié)構(gòu)，因此它們非常輕巧、耐用和靈活，有效地吸收和分散沖擊能量。這些復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)組成包括多層交叉排列的編織或?qū)訅喊澹@種交叉排列增強(qiáng)了材料的整體強(qiáng)度，而樹(shù)脂基體將纖維粘合在一起，提供了額外的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

芳綸纖維作為復(fù)合材料防彈衣的主流，通常用環(huán)氧樹(shù)脂作為基體材料結(jié)合。然而樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜過(guò)高，有研究者發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度的提高，會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂對(duì)纖維束縛，使產(chǎn)品易發(fā)生脆性斷裂。

硬質(zhì)防彈衣復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料由嵌入在聚合物或芳綸纖維基體中的陶瓷瓷磚組成，通常用于硬質(zhì)防彈板。這些陶瓷瓷磚通常由氧化鋁或碳化硅制成，以馬賽克狀排列，增強(qiáng)了材料吸收和分散沖擊能量的能力，防止拋射物的穿透，而周?chē)幕w保持了陶瓷瓷磚的位置，提供了額外的強(qiáng)度。

類(lèi)似地，近年來(lái)，一種將芳綸纖維和UHMWPE組合在單一復(fù)合結(jié)構(gòu)中的混合復(fù)合材料已經(jīng)被引入到防彈衣應(yīng)用中。混合復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)組成經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，優(yōu)化每個(gè)組分的優(yōu)點(diǎn)，并將它們根據(jù)預(yù)期的威脅引入到防彈衣的特定區(qū)域。

復(fù)合材料防彈衣的最近進(jìn)展

提升KFRP復(fù)合材料沖擊性能

在2018年的研究中，研究人員專(zhuān)注于提升Kevlar纖維增強(qiáng)聚合物（KFRP）復(fù)合材料在防彈衣應(yīng)用中的沖擊響應(yīng)。該研究探究了不同基體組合，特別關(guān)注添加橡膠對(duì)彈道沖擊行為的影響。復(fù)合樣品采用環(huán)氧和不同比例的橡膠制備，經(jīng)過(guò)9mm全金屬被包覆（FMJ）子彈測(cè)試后，結(jié)果顯示添加橡膠積極影響了能量吸收、背面簽名（鈍性創(chuàng)傷）減少以及彈道抵抗力增強(qiáng)。其中，含有12.5%橡膠的組合表現(xiàn)出最佳結(jié)果，提供了更佳的沖擊抵抗力和更低的鈍性創(chuàng)傷。這一研究強(qiáng)調(diào)了復(fù)合設(shè)計(jì)在減輕彈道沖擊造成的內(nèi)部傷害方面的重要性，展示了防彈衣技術(shù)的潛在進(jìn)展。

天然纖維復(fù)合材料用于防彈裝甲

在2020年的研究中，科學(xué)家們探討了使用天然纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料作為防彈裝甲的替代材料。該研究比較了常用的UHMWPE復(fù)合材料Dyneema與從菠蘿葉（PALF）中提取的含30體積%天然纖維的環(huán)氧復(fù)合材料。通過(guò)將PALF復(fù)合板與陶瓷前層結(jié)合，來(lái)提高三級(jí)防彈裝甲背心的保護(hù)性能，結(jié)果顯示，PALF/環(huán)氧復(fù)合材料滿足了國(guó)家正義研究所（NIJ）的國(guó)際三級(jí)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。該復(fù)合材料表現(xiàn)出與Dyneema相當(dāng)?shù)姆缽椥阅埽瑫r(shí)具有減輕重量和降低成本的優(yōu)勢(shì)，為防彈衣應(yīng)用提供了一個(gè)有前景的替代方案。

哈佛大學(xué)研制新型納米纖維材料

美國(guó)哈佛大學(xué)KevinKitParker研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型納米纖維材料，結(jié)合了多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和定向纖維，來(lái)滿足隔熱要求，并具備防彈性能。這一創(chuàng)新克服了傳統(tǒng)防護(hù)材料性能單一的局限，適用于軍事、航空航天等領(lǐng)域。新型納米纖維材料采用沉浸式旋轉(zhuǎn)噴氣紡絲設(shè)備合成，通過(guò)將PPTAH2SO4溶液以連續(xù)流動(dòng)方式加入噴絲板，噴絲頭高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使聚合物噴射撞到旋轉(zhuǎn)的收集板上，形成實(shí)心納米纖維。這種定向的對(duì)位芳綸纖維有效應(yīng)對(duì)機(jī)械應(yīng)力，而孔狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制熱擴(kuò)散。測(cè)試結(jié)果顯示，五層的芳綸納米纖維防彈V50達(dá)到657ft/s，與商用防彈紡織品相當(dāng)，絕熱系數(shù)比商用對(duì)位芳香聚酰胺提高了20倍。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有防彈材料進(jìn)行改進(jìn)，賦予其新的功能特性或者彌補(bǔ)其缺陷，以及對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，來(lái)獲得最佳性能參數(shù)，都能夠提升防彈衣的防護(hù)性能和穿著舒適度。未來(lái)的防彈衣發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)當(dāng)朝著輕量化、模塊化、多元化、人性化和舒適化方向快速發(fā)展。

[1]朱晨瑜.美國(guó)防彈材料研究最新進(jìn)展[J].中國(guó)安防,2023(04):114-116.

此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。