复合材料在防弹衣中的应用与新进展

贯穿人类历史的许多冲突导致了战斗和战争。防弹衣在使作战人员尽可能安全地抵御各种武器方面至关重要。在历史上，不同文化和社会发现了许多不同种类的防弹衣，每种防弹衣都有其独特的优点和缺点。例如，全金属防弹衣在阻挡剑或箭攻击方面非常有效，但与全皮革防弹衣相比，后者具有更好的机动性，可以保护免受轻微割伤，但穿戴者容易受到重击伤害。

随着战争中武器技术的进步和演变，防弹衣也在不断发展，使旧技术几乎过时。现代战争中使用的武器比前人使用的更加致命和多样化，因此对它们需要更先进的保护。

现代防弹衣的类别

随着科学技术的进步，防弹衣不仅要求具有防弹性能和防护性能，还要求轻量化，且具有较高的透气透湿性。因此，现代防弹衣使用了复合材料，这些材料通过将两种或更多具有不同性质的材料组合而成，创造出卓越的性能特征。这些复合材料的结构组成在确定其对穿戴者的保护效果方面起着至关重要的作用。

软质防弹衣复合材料

通常情况下，用于软质防弹衣应用的是超高分子量聚乙烯（UHMWPE），如Dyneema和Spectra，或芳纶纤维，如Kevlar和Twaron。这些纤维被编织在一起，并嵌入树脂基体中，形成具有很高拉伸强度的复合结构，因此它们非常轻巧、耐用和灵活，有效地吸收和分散冲击能量。这些复合材料的结构组成包括多层交叉排列的编织或层压板，这种交叉排列增强了材料的整体强度，而树脂基体将纤维粘合在一起，提供了额外的结构稳定性。

芳纶纤维作为复合材料防弹衣的主流，通常用环氧树脂作为基体材料结合。然而树脂质量分数不宜过高，有研究者发现，树脂的质量分数过大会导致粘结强度的提高，会导致树脂对纤维束缚，使产品易发生脆性断裂。

硬质防弹衣复合材料

陶瓷基复合材料由嵌入在聚合物或芳纶纤维基体中的陶瓷瓷砖组成，通常用于硬质防弹板。这些陶瓷瓷砖通常由氧化铝或碳化硅制成，以马赛克状排列，增强了材料吸收和分散冲击能量的能力，防止抛射物的穿透，而周围的基体保持了陶瓷瓷砖的位置，提供了额外的强度。

类似地，近年来，一种将芳纶纤维和UHMWPE组合在单一复合结构中的混合复合材料已经被引入到防弹衣应用中。混合复合材料的结构组成经过精心设计，优化每个组分的优点，并将它们根据预期的威胁引入到防弹衣的特定区域。

复合材料防弹衣的最近进展

提升KFRP复合材料冲击性能

在2018年的研究中，研究人员专注于提升Kevlar纤维增强聚合物（KFRP）复合材料在防弹衣应用中的冲击响应。该研究探究了不同基体组合，特别关注添加橡胶对弹道冲击行为的影响。复合样品采用环氧和不同比例的橡胶制备，经过9mm全金属被包覆（FMJ）子弹测试后，结果显示添加橡胶积极影响了能量吸收、背面签名（钝性创伤）减少以及弹道抵抗力增强。其中，含有12.5%橡胶的组合表现出最佳结果，提供了更佳的冲击抵抗力和更低的钝性创伤。这一研究强调了复合设计在减轻弹道冲击造成的内部伤害方面的重要性，展示了防弹衣技术的潜在进展。

天然纤维复合材料用于防弹装甲

在2020年的研究中，科学家们探讨了使用天然纤维增强聚合物复合材料作为防弹装甲的替代材料。该研究比较了常用的UHMWPE复合材料Dyneema与从菠萝叶（PALF）中提取的含30体积%天然纤维的环氧复合材料。通过将PALF复合板与陶瓷前层结合，来提高三级防弹装甲背心的保护性能，结果显示，PALF/环氧复合材料满足了国家正义研究所（NIJ）的国际三级防护标准。该复合材料表现出与Dyneema相当的防弹性能，同时具有减轻重量和降低成本的优势，为防弹衣应用提供了一个有前景的替代方案。

哈佛大学研制新型纳米纤维材料

美国哈佛大学KevinKitParker研究团队开发了一种新型纳米纤维材料，结合了多孔网状结构和定向纤维，来满足隔热要求，并具备防弹性能。这一创新克服了传统防护材料性能单一的局限，适用于军事、航空航天等领域。新型纳米纤维材料采用沉浸式旋转喷气纺丝设备合成，通过将PPTAH2SO4溶液以连续流动方式加入喷丝板，喷丝头高速旋转产生的离心力使聚合物喷射撞到旋转的收集板上，形成实心纳米纤维。这种定向的对位芳纶纤维有效应对机械应力，而孔状的网络结构限制热扩散。测试结果显示，五层的芳纶纳米纤维防弹V50达到657ft/s，与商用防弹纺织品相当，绝热系数比商用对位芳香聚酰胺提高了20倍。

通过对现有防弹材料进行改进，赋予其新的功能特性或者弥补其缺陷，以及对现有工艺进行优化和改进，来获得最佳性能参数，都能够提升防弹衣的防护性能和穿着舒适度。未来的防弹衣发展趋势应当朝着轻量化、模块化、多元化、人性化和舒适化方向快速发展。

[1]朱晨瑜.美国防弹材料研究最新进展[J].中国安防,2023(04):114-116.

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。