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防爆防弹衣的防弹机理及其影响因素

防爆防弹衣的防弹机理从根本说有两个：一是将弹体碎裂后形成的破片弹开；二是通过防弹材料消释弹头的动能。美国在二三十年代研制出的首批防弹衣是靠连在结实衣服内的搭接钢板提供防护的。这种防弹衣以及后来类似的硬体防弹衣即是通过弹开弹头或弹片，或者使子弹碎裂以消耗分解其能量而起到防弹作用的。以高性能纤维为主要防弹材料的软体防弹衣，其防弹机理则以后者为主，即利用以高强纤维为原料的织物“抓住”子弹或弹片来达到防弹的目的。研究表明，软体防弹背心吸收能量的方式有以下五种：（1）织物的变形：包括子弹入射方向的变形和入射点临近区域的拉伸变形；（2）织物的破坏：包括纤维的原纤化、纤维的断裂、纱线结构的解体以及织物结构的解体；（3）热能：能量通过摩擦以热能的方式散发；（4）声能：子弹撞击防弹层后发出的声音所消耗的能量；（5）弹体的变形。为提高防弹能力而发展起来的软硬复合式防弹衣，其防弹机理可以用“软硬兼施”来概括。子弹击中防弹衣时，首先与之发生作用的是硬质防弹材料如钢板或增强陶瓷材料等。在这一瞬间的接触过程中，子弹和硬质防弹材料都有可能发生形变或断裂，消耗了子弹的大部分能量。高强纤维织物作为防弹衣的衬垫和第二道防线，吸收、扩散子弹剩余部分的能量，并起到缓冲的作用，从而尽可能地降低了非贯穿性损伤。在这两次防弹过程中，前一次发挥着主要的能量吸收作用，大大降低了射体的侵彻力，是防弹的关键所在。影响防弹衣防弹效能的因素可从发生相互作用的射体（子弹或弹片）和防弹材料两个方面考虑。就射体而言，它的动能、形状和材料是决定其侵彻力的重要因素。普通弹头，尤其是铅芯或普通钢芯弹在接触防弹材料后会发生变形。在这一过程中，子弹被消耗了相当一部分动能，从而有效地降低了子弹的穿透力，是子弹能量吸收机理的一个重要方面。而对于炸弹、手榴弹等爆炸时产生的弹片或子弹形成的二次破片来说，情形就显著不同了。这些弹片的形状不规则，边缘锋利，质量轻，体积小，在击中防弹材料尤其是软体防弹材料后不变形。一般说来，这类碎片的速度也不高，但是量大而密集。软体防弹衣对这类碎片能量吸收的关键在于：破片切割、拉伸防弹织物的纱线并使其断裂，且使织物内部纱线之间和织物不同层面之间的相互作用，造成织物整体形变，在上述这些过程中碎片对外做功，从而消耗自身的能量。在上述两种类型的身体能量吸收过程中，也有一小部分的能量通过摩擦（纤维/纤维、纤维/子弹）转化为热能，通过撞击转化为声能。在防弹材料方面，为了满足防弹衣要最大程度地吸收子弹及其他射体动能的要求，防弹材料必须具有强度高、韧性好、吸能能力强的性能。目前用于防弹衣上，尤其是软体防弹衣上的材料都以高性能纤维为主。这些高性能纤维以高强和高模为重要特征。一些高性能纤维如碳纤维或硼纤维等，虽具有很高的强度，但由于柔韧性不佳，断裂功小，难以纺织加工，以及价格高等原因，基本上不适用于人体防弹衣。具体说来，对防弹织物而言，其防弹作用主要取决于以下方面：纤维的拉伸强力、纤维的断裂伸长和断裂功、纤维的模量、纤维的取向度和应力波传递速度、纤维的细度、纤维的集合方式，单位面积的纤维重量，纱线的结构和表面特征，织物的组织结构，纤维网层的厚度，网层或织物层的层数等。用于抗冲击的纤维材料，其性能取决于纤维的断裂能及应力波传递的速度。应力波要求尽快扩散，而纤维在高速冲击下的断裂能应尽可能提高。材料的拉伸断裂功是材料抵抗外力破坏所具有的能量，它是一个与拉伸强力和伸长变形相关的函数。因此，从理论上说，拉伸强力越高，伸长变形能力也较强的材料，其吸收能量的潜力也越大。但在实践中，用于防弹衣的材料不允许有过大的变形，所以用于防弹衣的纤维必然同时具有较高的抵抗变形的能力，即高模量。纱线的结构对防弹能力的影响是源于不同的纱线织物会造成单纤强力利用率和纱线整体伸长变形能力的差异。纱线的断裂过程首先取决于纤维的断裂过程，但由于它是一个集合体，因此在断裂机理上又有很大的差别。纤维的细度细，则在纱中的相互抱合较为紧贴，同时受力也较为均匀，因而提高了成纱的强度。除此之外，纱线中纤维排列的伸直平行度、内外层转移次数、纱线捻度等都对纱线的机械性能尤其是拉伸强力、断裂伸长等有重要的影响。另外，由于受弹击过程中会产生纱线与纱线、纱线与弹体的相互作用，纱线的表面特征会对以上两种作用产生或加强或削弱的效果。纱线表面油剂、水分的存在会降低子弹或弹片穿透材料的阻力，因此人们往往要对材料施行清洗和干燥等处理，并寻求提高穿透阻力的办法。具有高拉伸强力和高模量的合成纤维通常是高度取向的，所以纤维表面光滑、摩擦系数低。这些纤维用在防弹织物中时，受弹击后纤维间传递能量的能力差，应力波不能迅速扩散，由此也降低了织物阻击子弹的能力。普通的提高表面摩擦系数的方法如起绒、电晕整理等却会降低纤维的强力，而采用织物涂层的方法则易造成纤维与纤维之间的“焊接”，结果使子弹冲击波在纱线横向发生反射，使纤维过早断裂。为了解决这一矛盾，人们想出了各种各样的方法。美国联合信号（AlliedSignal）公司向市场推出一种空气缠绕处理纤维，通过使纤维在纱线内部相互纠缠，从而增加子弹与纤维的接触。在美国专利5035111中推出了一种通过使用皮芯结构纤维提高纱线摩擦系数的方法。这种纤维的“芯”为高强纤维，“皮”则采用了一种强力稍低而具有较高摩擦系数的纤维，后者所占的比重为5%～25%。美国另一专利5255241所发明的方法与此相似，它是在高强纤维的表面涂覆一层薄薄的高摩擦系数聚合物，以提高织物抗金属物穿透的能力。这一发明强调了涂层聚合物与高强纤维表面应有较强的粘附力，否则在受弹击时剥落的涂层材料反而会在纤维之间起固体润滑剂的作用，从而降低纤维表面摩擦系数。除了纤维性质、纱线特征之外，影响防弹衣防弹能力的重要因素还有织物的组织结构。用于软件防弹衣上的织物结构类型包括针织物、机织物、无纬布，针刺非织造毡等。针织物具有较高的延伸率，因而有利于提高服用舒适性。但这种高延伸率用于抗冲击会产生很大的非贯穿性损伤。另外，由于针织物具有各向异性的特征，导致了在不同方向上具有不同程度的抗冲击性。所以，尽管针织物在生产成本和生产效率方面具有优势，但它一般只适用于制造防刺手套、击剑服等，而不能完全用于防弹衣上。目前在防弹衣中应用较为广泛的是机织物、无纬布和针刺非织造毡。这三类织物由于其结构不同，各自的防弹机理也不尽相同，目前弹道学还无法给予充分的解释。一般说来，子弹击中织物后，会在弹着点区域产生一个径向的振动波，并通过纱线高速扩散。当振动波到达纱线的交织点时，一部分波将沿着原先的纱线传到交织点的另一边，另一部分转移到与之交织的纱线内部，还有一部分沿着原先的纱线反射回去，形成反射波。在上述三种织物中，机织物的交织点最多，受弹击后，子弹的动能可通过交织点上纱线的相互作用得以传递，从而使子弹或弹片的冲击力能在较大区域内吸收。但与此同时，交织点在无形中又起了固定端的作用。在固定末端所形成的反射波与原来的入射波会产生同向叠加，使纱线受到的拉伸作用大大增强，在超过其断裂强度后断裂。另外，一些小的弹片还有可能将机织物中的单根纱线推开，从而降低了弹片穿透阻力。在一定范围内，如果提高织物密度，可以减少上述情形出现的可能，并提高机织物的强度，但却会增强应力波反射叠加的负效应。从理论上讲，要获取最好的抗冲击性能是采用单向的、没有交织点的材料。这也正是“Shield”技术的出发点。“Shield”技术即“单向排列”技术，是美国联合信号公司于1988年推出并取得了专利的一种生产高性能非织造防弹复合材料的方法。这一专利技术的使用权也授予了荷兰DSM公司。运用这一技术制成的织物即为无纬布。无纬布是将纤维单向平行排列并用热塑性树脂粘结，同时将纤维进行层间交叉，并以热塑性树脂压制而成。子弹或弹片的大部分能量是通过使冲击点或冲击点附近的纤维伸长断裂而被吸收的。“Shield”织物可最大程度地保持纤维原有的强力，并迅速使能量分散到较大的范围上去，加工工序也较为简单。单层的无纬布叠合后可作为软体防弹衣的主干结构，多层压制则可成为用于防弹加强插板等硬质防弹材料。如果说在上述两类织物中，大部分弹体能量是在冲击点或冲击点附近的纤维处，通过过度拉伸或刺穿使纤维断裂而被吸收的，那么对以针刺非织造毡为结构的织物的防弹机理则无法解释。因为实验已表明，在针刺非织造毡中几乎不发生纤维的断裂。针刺非织造毡由大量短纤构成，不存在交织点，几乎没有应变波的固定点反射。其防弹效果取决于子弹冲击能在毡中的扩散速度。人们观察到，在被弹片击中以后，在碎片模拟弹（FSP）的顶端有一卷纤维状物质。于是预测，弹体或弹片在弹击初始阶段即变钝，从而使其难以穿透织物。许多研究资料都指出，纤维的模量和毡的密度是影响整个织物防弹效果的主要因素。针刺非织造毡主要用于以防弹片为主的军用防弹衣中。

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