防弹衣研究概况
防弹衣研究概况
摘要：本文对防弹衣的历史变革、分类、评价指标、使用的纤维材料种类、发展方向等方面进行探讨，为研发出既能起到保护作用又能满足舒适性且成本低的防弹衣打基础。
关键词：防弹衣；防弹纤维；防御性能；发展趋势
1引言
防弹衣是在特定的环境下为了保证人的生存而佩穿的个体防护装备，它能吸收和耗散弹头、破片的动能，阻止穿透，有效保护人体受防护部位。目前，防弹衣主要是指保护前胸和后背的防弹背心，防止流弹及破片对人体重要部位造成杀伤。随着防弹衣研究水平的提高，人们已不满足于仅考虑防弹衣的防弹性能。无论从实用角度还是商业角度考虑，轻便、舒适是使用者和生产者共同追求的目标，这样的防弹衣越来越受到使用者的青睐。
2防弹衣的发展史
作为一种重要的个体防护装备,防弹衣经历了由金属装甲防护板向非金属合成材料的过渡，又经历了由单纯合成材料向合成材料与金属装甲板、陶瓷护片等复合系统发展的过程。
20世纪60年代末70年代初，Kevlar纤维的问世，不仅代表着合成纤维技术史上一个新的突破，而且也为防弹衣带来了革命性的飞跃。1991年，荷兰发明了Twaron纤维，并生产出了更轻、防弹性能更好、更透气的超高分子量聚乙烯防弹衣。1998年，英国科学家利用从液体水晶中提炼出来的高分子纤维材料制成新型材料防弹衣，同时添加一种能够有效防静电的材料，制成了新的超级防静电防弹衣。它不仅能防弹，而且还能在飞机、舰艇、油库、弹药库这类怕静电又易产生静电火花的场所穿着，即使不慎发生爆炸，防弹衣也极具防护能力。
3防弹衣的分类
防弹衣有多种分类方式。根据防护等级，分为防弹片、防低速子弹、防高速子弹三级；根据式样，分为背心式、夹克式、套头式三种；根据使用对象，分为地面部队人员防弹系统防破片背心、战车乘员防弹系统防破片防弹衣、保安防弹衣、要人防弹衣等多个品种；根据使用范围，分为警用和军用两种；根据使用材料，分为软体、硬体和软硬复合体三种。
硬体防弹衣又称为增强型防弹衣，防弹材料以特种钢板、超强铝合金等金属材料或者陶瓷等硬质非金属材料为主体 ,这类防弹衣虽然可以更有效地起到保护作用, 但是柔软性较差 ,比较笨重，军警一般只在十分危险的情况下使用。软体防弹衣又称为轻质防弹衣，防弹材料以高性能纺织纤维为主，采用纺织品的结构，重量轻, 并且具有相当的柔软性，所以穿着舒适，军警执行日常任务时多穿这类防弹衣。软硬复合式防弹衣以软质材料为内衬，以硬质材料为面板和增强材料，一定程度上集中了硬体、软体防弹衣的优势,是现代防弹衣的发展方向。防弹衣以其防御能力分为七个等级。类防御能力低, 第七类防御能力强，通常用其所能抵御的武器来描述。低级别的防弹衣只能防御较小口径、威力不大的手枪的子弹。一些高级别的防弹衣可以防御火力较强的步枪。至第三类基本上都是软体防弹衣，第四至第七类中包括硬体和复合型防弹衣。
4防弹衣的防御性能及原理
防弹衣的防御性能主要体现在两个方面, 首先是防御贯穿能力, 即防御子弹或爆炸产生的高速碎片的贯穿，避免人体受到直接伤害；其次是防御非贯穿性损伤能力，即在防弹衣未被子弹贯穿的情况下，尽可能减少弹体或碎片击中防弹衣时冲击力对人体造成的损伤。防弹衣的防御性能主要由防弹材料及其内部结构决定。
防弹衣通过吸收和耗散射体的动能, 阻止其穿透,实现对人体受防部位的有效保护。防御原理主要包括两个方面：一是“阻挡”，将弹体或碎片弹开，阻止其进入防弹衣；二是“擒拿”，将弹体或碎片接纳后通过防弹材料消释其动能, 使其无力穿透防弹衣进入人体。
4.1硬体防弹衣的防御性能及原理
硬体防弹衣属于“阻挡”型，依靠坚硬的材料（厚陶瓷或金属）将子弹挡出或撞碎，有效地起到保护作用。防御贯穿能力强，防御非贯穿性损伤能力较弱。
早期防弹衣大都是这种类型，材质坚硬、沉重，灵活性差。诞生在英国的世界上件防弹衣就由纯钢制成，重达10千克，像欧洲中世纪武士的铁甲，只能抵挡低速的流弹和碎弹片对士兵的伤害。美国在二、三十年代研制出的首批防弹衣也是靠连在上衣内的钢板提供防护。南北战争时期的钢制胸甲，二战时期用赫德费尔特钢制成的防弹夹克，都是整体式钢质防弹衣，是早期防弹衣的代表。
我国防弹衣的研制工作也从硬体防弹衣开始。20世纪80年代末期，我国研究军需防护装备的专家周国泰和他的同事们研制成功“护神”系列防弹背心，是国产防弹衣的代表。“护神”防弹衣以特种钢为防弹材料，采用“鳞片”结构，使硬体得到“软化”，具备了其他硬体防弹衣无法比拟的特性：保持防御贯穿能力强的优势，大大提高防御非贯穿性损伤能力，且防护面积大，重量轻，灵活性高，成本低（仅为“开夫拉”软体防弹衣的1/4）。在德国巴伐利亚防弹制品弹击检测中心，“护神”防弹衣曾经与美国芳纶防弹衣以比武的方式共同接受子弹射击，两者防贯穿能力相当，而防非贯穿性损伤能力，“护神”明显优于美国芳纶防弹衣。鲜为人知的1990年北京承办的第十一届亚运会，正是我国自行研制的“护神”防弹衣首次用于装备亚运会的安全保卫人员。
4.2软体防弹衣的防御性能及原理
软体防弹衣主要以高性能纺织纤维作为防弹材料，抗贯穿能力略逊，但抗非贯穿损伤能力优于一般的硬体防弹衣。这类防弹衣属于“擒拿”型，依靠高性能纤维吸收能量极强的能力，“抓住”子弹或碎片来达到防弹的目的。材质软化，重量轻，且便于拼接，使软体防弹衣具有优良的灵活性与舒适性。
弹头打在防弹衣上，虽未穿透，但其冲击动能通过防弹衣作用于人体，也可能造成人体的伤害尤其是内脏伤害。这种在防弹衣的防护层未被贯穿或击破的情况下，投射物的冲击动能通过防护层作用于人体而对人体造成的伤害就称为非贯穿性伤害；弹头打在防弹衣上，穿透防弹衣，弹头对人体造成的直接伤害为贯穿性伤害。
柔软的纤维材料（类似于普通服装所用材料）能挡住子弹，令人难以置信。由初的锦纶纤维、高强度锦纶纤维到芳纶纤维，即开夫拉（Kevlar），防弹衣材料有了很大突破。芳纶纤维非常轻，就像传统的制衣纤维，但却比同样重量的钢还坚韧五倍。如此高性能纤维，采用紧密的网状结构，便可以吸收大量冲击力。
纤维织成的密网，类似于足球门网，无论射体触击到网的哪一个位置，它的冲力都会被整个网所吸收。一层这样的网吸收能量毕竟是有限的，为更有效防弹，轻型防弹衣由6层开夫拉织物构成，重型则达11层之多。这样当射体与防弹层接触时，切割拉伸纱线并使其断裂，同时使织物内部纱线之间和织物不同层面之间相互作用，造成整体形变。整个过程射体对外做功，消耗自身的能量，终被稳稳擒拿，达到避免穿透和减少内伤的目的。
4.3软硬复合式防弹衣的防御性能及原理
软硬复合式防弹衣将软质材料的轻柔与硬质材料的坚硬合为一体，使其具有更佳的抗贯穿能力和抗非贯穿损伤能力。一般地，复合式防弹衣以软体防弹衣为主体，前片和后片加入硬质防弹复合材料的防弹插板，增强对人体前胸、后背的保护。
不同的防弹要求,对应于不同厚度、不同重量和不同材料的防弹插板。当射体与防弹衣接触时，首先是硬质防弹插板与之发生作用。在这一瞬间的接触过程中，射体和硬质防弹材料都有可能发生形变或断裂，消耗了射体的大部分能量。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入力，是防弹的关键所在。
5防弹衣用纤维材料
防弹纤维材料有很多种，但迄今常用的还是对位芳酰胺纤维（P-ARF）和超高相对分子质量聚乙烯纤维（UFMWPEF）。近年来这2种纤维在成形工艺技术上都有重大突破，使防弹产品进一步实现轻量化、高性能化和舒适化。聚苯并双噁唑（PBOF）可通过分子结构改性，改善其耐紫外光和储存稳定性。芳杂环类的芳纶Ⅲ等系列产品，因成本高，主要用于国防军工的防弹防爆领域。人造蜘蛛丝是氨基酸类的高度取向纤维，具有高强高模和高韧性，但尚未完全产业化。超高性能碳纤维的出现，打破了传统碳纤维因断裂伸长率小而不能用于防弹领域的概念，已开始应用于新型军用防弹装备，对提升先进武器装备具有重大意义。
5.1尼龙
20世纪50年代，美军首先试验使用尼龙这类软质合成纤维材料制做防弹衣。他们发现1 2层特制尼龙纤维布可收到一定的防弹效果。当子弹击中防弹衣时，纵横交织的多层尼龙纤维像网一样裹住子弹。子弹如继续运动就必须拉伸尼龙纤维。尼龙纤维的张力降低了子弹的运动速度，消耗并吸收了子弹的动能。由于弹片的动能和运动速度一般比子弹低得多，所以尼龙防弹衣对弹片的防护作用更明显。但是，由于尼龙纤维的抗张强度所限，所以尼龙防弹衣要收到好的防护效果，重量需在4.5Kg以上。而穿上这么重的防弹衣，士兵的作战能力至少要降低30%。
5.2Kevlar
Kevlar纤维全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”纤维，是美国杜邦公司于20世纪60年代中期研制出的一种合成纤维。它的抗张强度极高，是尼龙纤维的两倍多；而吸收弹片动能的能力是尼龙的1.6倍，是钢的两倍。它的出现使防弹衣的防护性能有了明显提高。多层Kevlar织物对枪弹也能起到较好的防护效果，即由几十层Kevlar纤维和其他面料可加工制成防弹衣。当子弹击中防弹衣时，Kevlar纤维便被拉伸从而将子弹的冲击力分散到织物中的其他纤维上。由于用Kevlar制成的防弹衣比尼龙防弹衣重量轻，防弹性能好，所以它受到了许多国家军队和警察的青睐。
5.3PBO纤维防弹复合材料
PBO纤维是聚苯并双噁唑纤维的简称，具有很好的耐热性能和阻燃性能，被认为是目前强度高、综合性能好的高性能有机纤维。
PBO纤维突出的高强、高韧性能使其具有极佳的能量吸收特性，同时其微纤化结构和较低的界面粘接性能使其复合材料可通过原纤化和分层变形进一步吸收冲击能量，因此特别适合用于防护领域的抗弹抗冲击材料。在相同的条件下，PBO纤维复合材料的大冲击载荷和能量吸收远高于芳纶和碳纤维。但随着使用时间的延长，这种纤维的缺点暴露了出来。试验表明：该纤维在低于100℃以下，或在普通日光照射下，性能会逐渐下降。
5.4超高分子聚乙烯纤维
超高分子量聚乙烯纤维的密度很低,再加上其优异的力学性能和能量吸收性能,使得超高分子量聚乙烯纤维在个体防弹领域有着广泛的应用。但它在横向力学、高温力学和多种树脂的粘结方面性能较差。
5.5蜘蛛丝
1997年初,美国生物学家发现，一种名为“黑寡妇”的蜘蛛可吐出两种高强度的丝，一种丝的断裂伸长率为27%；另一种丝则具有很高的防断裂强度，比制造防弹背心的Kevlar纤维的强度还高得多。这种蜘蛛网质地比钢铁还坚韧而且非常轻巧，比合成材料或生物聚合体轻25%，具有强度大、弹性好、柔软、质轻等优良性能，因此非常适合制造防弹衣。但由于来源极为有限,因此无法进行规模化生产。
5.6液体防弹纤维
这种新型防弹衣的奇特之处是，在制作防弹衣常用的Kevlar纤维里面加入了一种“黏稠液体”。这种液体类似一种能量防护罩，可对高速物体迅速反应从而起到防护作用，却对低速物体没有反应。正常情况下，这种“黏稠液体”与其他液体一样，很柔软，可以变形。可是，一旦高速弹片或弹头触到它，它就能瞬间转变成一种硬质材料，吸收撞击在它表面的弹片或弹头产生的冲击力，迅速消散掉高速飞行的子弹所具有的巨大动能和冲量。英国科学家已经对这种防弹衣的防弹性能做过测试并取得良好的防弹效果。同时还将进一步加大研发力度，使“液体”防弹衣不仅能抵御手枪子弹，还能承受突击步枪的扫射。
6防弹衣评价指标
软质防弹衣主要由防弹层和外套组成。防弹层是防弹衣的核心部分，它是由多层防弹材料构成，目前主要是芳纶材料和高性能聚乙烯材料。当前，我国有两个标准指导防弹衣的研发、生产和采购，GA 141-2001《警用防弹衣通用技术条件》和GJB 4300-2002《军用防弹衣安全技术性能要求》。而国际上比较通用的是美国防弹衣标准NIJ 0101.04《BALLISTIC RESISTANCE OF PERSONAL BODY ARMOR》。
6.1 防弹速度V50
防弹速度V50是评估防破片性能的一个重要指标。它是指模拟破片在规定弹速范围内，对受试样品形成穿透概率为50%的极限速度。残值越高，防弹材料的防弹性能越好。
6.2穿透层数
单纯根据“穿透层数”来判定防弹衣的安全性是不确切的。因为穿透层数与防弹衣所用的防弹材料及防弹材料的重量有关。在同样防护等级的情况下，防弹衣所需防弹材料的层数不一样，因此要以穿透层数作为安全性的评比标准，只有在使用相同的防弹材料的前提下才能采用。
6.3凹陷深度
将“凹陷深度”作为非贯穿性损伤性能指标，应考虑背衬材料刚性的影响。在刚性相同的情况下，一般凹陷深度越大，相应的非贯穿性损伤也越大。如果一味地追求防弹衣较小的凹陷深度，必然会降低防弹衣穿着的舒适性及服用性。因此，只要凹陷深度指标在标准范围（25mm）以内就是合格的产品。
7防弹衣的发展趋势
7.1重点发展防弹材料和织造工艺
防弹衣的重点是发展新的防弹材料，包括硬质和软质防弹材料。硬质防弹材料要求薄且密度大，质量小，防弹性能好；软质防弹材料要求柔软，抗拉和抗断裂性强，SP模数和破坏延伸率大等。此外，防弹衣在制造工艺上要求较高，如软质防弹纤维的处理和编织有不同的方法，而防弹衣的防水性能、防紫外线和防红外线性能也有待进一步提高。
7.2防弹衣要多样化
防弹衣应根据职业要求和环境的不同，研究出不同的款式、颜色和花样，以满足使用者的要求。防弹衣应朝着使穿着者既方便又舒适的方向发展。
7.3防弹衣向标准化方向发展
目前，各国的防弹衣大多采用本国的防弹标准，使用起来有诸多不便，今后很可能朝着使用国际统一的防弹标准的方向发展。
8结束语
防弹衣是现代化军队和警察不可缺少的一种防护装备。自问世以来，防弹衣对减少部队作战人员和警察执行任务时的伤亡起了重要作用。随着科学技术的进步，新型防弹材料的出现和制造工艺的改进，防弹衣必将得到进一步的发展。