防刺織物的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

蔡普寧 李 麗 樊爭(zhēng)科 林 娜 趙 雷

(陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西西安，710038)

1 防刺織物的研究背景及必要性

自2001年“9·11事件”發(fā)生以來(lái)，相繼發(fā)生了多起暴力恐怖事件，如2010年7月7日英國(guó)倫敦地鐵和公交車(chē)連環(huán)爆炸案，2013年4月5日波士頓馬拉松比賽終點(diǎn)線附近兩起爆炸，2014年3月1日我國(guó)昆明火車(chē)站暴力恐怖襲擊事件等，促使個(gè)體防護(hù)成為一個(gè)世界性的關(guān)注方向。

各類(lèi)砍傷、割傷、刺傷案件的接連發(fā)生,使人們對(duì)自身安全的防護(hù)意識(shí)不斷提高。刺穿武器材質(zhì)的發(fā)展經(jīng)歷了木頭、石頭，到現(xiàn)在的金屬材料。防護(hù)材料從金屬薄片裝甲襯衣到由金屬絲加工成扁環(huán)相互嵌套的鎖子甲，由于穿著笨重、加工難度高、周期長(zhǎng)、造價(jià)高等問(wèn)題，目前多偏向于柔性防刺裝甲的研究與開(kāi)發(fā)[1-2]。

目前國(guó)內(nèi)約有90萬(wàn)的武警、150萬(wàn)的公安人員，還有海關(guān)、解放軍等對(duì)防彈衣防刺服有巨大需求的公職人員，防刺裝甲的研究與開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，軍民融合戰(zhàn)略的實(shí)施，加之技術(shù)創(chuàng)新和高性能纖維的不斷涌現(xiàn)，防刺柔性輕質(zhì)裝甲整體處于相對(duì)活躍的研究氛圍[3]。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

防刺服最初采用的是金屬類(lèi)材質(zhì)的全硬質(zhì)材料，如將鐵、鋼等金屬加工成金屬板或金屬插片。后期發(fā)展到半硬質(zhì)防刺材料，主要采用金屬類(lèi)材質(zhì)(金屬片、金屬環(huán))與樹(shù)脂進(jìn)行浸漬，相較于全硬質(zhì)材料，在質(zhì)量和舒適性方面均有改善。目前主要研究的熱點(diǎn)為軟質(zhì)防刺材料，多采用高分子柔性纖維材料制成，結(jié)合其他技術(shù)的綜合應(yīng)用，為防刺服更進(jìn)一步的減重、增加舒適性提供保障[4]。

現(xiàn)階段，針對(duì)防刺服的研究國(guó)內(nèi)外均取得了較大的進(jìn)展，但是基本都是從材料角度出發(fā)。防刺裝備金屬材質(zhì)主要有：硬質(zhì)鋁合金、碳鋼、不銹鋼以及低成本的馬口鐵[5]。雖然這種防護(hù)服的防刺穿性能優(yōu)異，但其質(zhì)量和剛性對(duì)使用者的活動(dòng)和穿著舒適性有較大的限制。為了減輕防刺服的質(zhì)量并提高穿著舒適性，通過(guò)對(duì)金屬絲進(jìn)行加捻或?qū)⒔饘倮@成金屬環(huán)，在端點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)焊，且在環(huán)與環(huán)之間形成互鎖?，F(xiàn)有鎧甲主要有三種：紡織品皮革、金屬插板、鎖子甲[6]。

金屬插板類(lèi)薄片裝甲襯衣是由許多塊裝甲片組成的，然后通過(guò)細(xì)繩連接在一起，當(dāng)我們收緊這些細(xì)繩時(shí)，每一片裝甲便會(huì)相互靠近甚至重疊。其原理為塊狀金屬插片相互串聯(lián)形成平面防護(hù)層，當(dāng)?shù)都馊氪虝r(shí)，在節(jié)點(diǎn)處形成自鎖，刺入深度隨節(jié)點(diǎn)孔徑的增大而增大。其優(yōu)點(diǎn)為：可將沖擊能量更好地大面積反射散播、抗變形、抗凹痕；缺點(diǎn)為：質(zhì)量重，加工難度高，加工成本高，穿著舒適性差。

鎖子甲是鎧甲的一項(xiàng)重要發(fā)明，由鐵絲加工成扁環(huán)(小鐵圈)，相互套結(jié)[7]。其原理為小鐵環(huán)相互穿套，鐵環(huán)自身的粗細(xì)決定其所能承力的大小，鐵環(huán)的直徑大小決定刀尖刺入的深度。當(dāng)?shù)都馊氪虝r(shí)，鈍化刀具，在孔隙處形成自鎖，刺入深度隨孔隙處直徑的增大而增大。其優(yōu)點(diǎn)為：質(zhì)量較金屬片狀鎧甲有所減輕，抗變形，具備一定的靈活性；缺點(diǎn)為：質(zhì)量較重，加工難度非常高，加工成本非常高，穿著舒適性差。鎖子甲金屬環(huán)互相串套結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鎖子甲金屬環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 長(zhǎng)塊金屬板結(jié)構(gòu)

圖2是由六角形的鋁板構(gòu)成，外圍由十二邊形的法蘭用鉚釘固定。圖3采用小塊的長(zhǎng)方形金屬板，邊緣鉆孔，由鉚釘連接，輪流重疊排列。此類(lèi)結(jié)構(gòu)通過(guò)拼合層將金屬輕質(zhì)薄片連接在一起，使材料的防刺性能得到顯著的提高。芳綸纖維和高分子模量聚乙烯纖維由于其高強(qiáng)、高模、耐高溫和耐化學(xué)作用等功能，目前被廣泛運(yùn)用在防刺產(chǎn)品領(lǐng)域，織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與不同高性能纖維原料選配的結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)軟質(zhì)柔性防刺材料奠定了基礎(chǔ)。防刺產(chǎn)品的形式主要為一層或多層的織物或其他防刺材料的復(fù)合，如浸膠的芳綸PE氈、在芳綸機(jī)織布上涂覆金剛砂、細(xì)特芳綸和PE織成的機(jī)織布或填充了納米粒子的浸膠氈/織物等均具有較好的防刺性能[8]。

美國(guó)Criminology國(guó)際公司研究所研制開(kāi)發(fā)的《一種輕便柔軟的防穿透背心》是一種較為輕型的針織防刺織物，纖維采用芳綸或高性能玻璃纖維等，為多層結(jié)構(gòu)，各層用縫合、熱黏合等方法結(jié)合在一起[9]。通過(guò)浸漬熱塑性樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)增強(qiáng)該防穿透背心的防刺性能，通過(guò)加入高強(qiáng)金屬絲及陶瓷纖維等提高防穿透性能，亦可在外表面采用不銹鋼網(wǎng)、鈦絲或鈦等的金屬輕質(zhì)薄片形成凹凸不平偏斜層來(lái)增加材料的防刺效果。美國(guó)JHRG LLC公司[10]開(kāi)發(fā)了一款防穿刺、防剪切的層壓織物，該織物通過(guò)在一定的張力下采用115 ℃至137 ℃充分加熱軟化熱塑性薄膜，織物收縮便產(chǎn)生了層壓壓力，可獲得具有柔韌性好、防切割、防穿刺性能的層壓織物。

GA 68—2008《防刺服》對(duì)防刺類(lèi)產(chǎn)品的要求較高，目前具備防刺性能的材料有很多，但要達(dá)到防刺性能和舒適性能同時(shí)具備并不容易。防刺服的面料開(kāi)發(fā)目前面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)有兩個(gè)方面：一是防刺服面料需具備良好的防刺功能性，二是防刺服面料需在質(zhì)量上保證輕質(zhì)[11]。

3 防刺機(jī)理研究

很多人認(rèn)為，既然防彈衣能防住高速?zèng)_擊的子彈，那么對(duì)刺刀、匕首的穿刺威脅就更沒(méi)有問(wèn)題了，所以沒(méi)有必要專(zhuān)門(mén)研究防刺材料，其實(shí)不然[12]。防彈理論并不能應(yīng)用在防刺上，具備防彈性能的軟體裝甲材料并不能滿(mǎn)足防刺性能要求[13]。防刺纖維材料應(yīng)具有高強(qiáng)度、高模量、耐剪切和耐沖擊的性能。目前，常用的防刺纖維材料有超高分子量聚乙烯纖維、芳綸、聚對(duì)苯撐苯并雙嗯唑纖維、陶瓷纖維、碳纖維、蠶絲絲膠、蜘蛛絲、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯和聚酯纖維等。

在刺刀刺入衣服的過(guò)程中，刺刀能量迅速降低[14]，受力區(qū)域的纖維將沖擊能向鄰近區(qū)域傳播，能量分散的越快越能降低對(duì)作用區(qū)域的損傷，防彈服與防刺服在能量吸收分散方面的機(jī)理類(lèi)似。相對(duì)于槍彈的高速?zèng)_擊，刺刀作用于防護(hù)服時(shí)主要為剪切作用，作用范圍小。相應(yīng)的，若防護(hù)材料的組織越緊密、強(qiáng)度越高，防剪切性能就越好。目前防刺效果較好的防刺衣大部分為密度較大的硬質(zhì)材料。從機(jī)理方面來(lái)說(shuō)，刺刀或匕首刺入織物的過(guò)程能量分散范圍窄，因此單位密度纖維所吸收的能量較大。防刺包括防刺穿和防切割兩方面，穿刺過(guò)程中刀尖接觸織物開(kāi)始拉伸纖維緊接著對(duì)其產(chǎn)生切割作用[15]。綜上，防刺材料必須有緊密的組織以使其可以握住刀尖，同時(shí)還需要多層織物重疊，抵御伴隨刀尖的能量。

防刺的原理主要有兩個(gè)方面：摩擦自鎖機(jī)理和多層復(fù)合防刺機(jī)理。如圖4所示，通過(guò)對(duì)刺入力F在織物表面的分解可知，沿水平方向的分力值Fs=Fsinα，沿垂直方面的分力值Fn=Fcosα。當(dāng)刺刀垂直刺入織物時(shí)Fn值最大，破壞力最大，織物更容易受損。當(dāng)刺刀與織物呈一定夾角刺入時(shí)，力值會(huì)在平行方向和垂直方向產(chǎn)生分力值，當(dāng)刺入角α大于最大自鎖角度時(shí)，則刺刀在材料表面滑動(dòng)，此時(shí)對(duì)材料的刺穿損傷較小。

圖4 刺力在織物表面的分解

多層防刺織物多采用無(wú)紡布與機(jī)織物的多層復(fù)合，機(jī)織物承擔(dān)拉伸力，無(wú)紡布承擔(dān)剪切力。隔層鋪設(shè)，逐層消耗剪切能和拉伸能，達(dá)到消耗全部沖擊能的目的。如圖5所示，當(dāng)刺入力垂直作用于防護(hù)服表面，由于受力產(chǎn)生彎曲，刺入力F值分解為平行于表面的切向力(拉力)F1和垂直于表面的法向力(剪切力)F2，因此需要能承擔(dān)這兩種力的織物作為吸能材料。在外力作用下，多層織物的變形規(guī)律如圖6所示，由力的分解得F1=Fsinβ，F(xiàn)2=Fcosβ，在力的作用下越往下層β角越小，于是切向力越小，法向力越大[16]。杜邦公司開(kāi)發(fā)的一種柔性防刺復(fù)合材料，由多層織物制成，其中至少有一層用聚對(duì)苯撐苯并噁唑纖維或聚對(duì)苯二甲酸丁二酯纖維織成的織物和一層用另一種聚合物形成的纖維網(wǎng)。發(fā)明者認(rèn)為各種纖維最佳線密度為0.5 dtex至3.5 dtex，紗線最佳線密度為220 dtex至1 700 dtex，否則影響防刺效果。在世界專(zhuān)利中，杜邦公司提供了一種高密度的機(jī)織芳綸織物，該織物能防護(hù)尖銳物體如錐子等的刺傷，使用的芳綸絲細(xì)度低于500 dtex，紗線強(qiáng)韌性高于30 J/g，紗線中纖維細(xì)度低于1.67 dtex[17]。

圖5 多層復(fù)合受力分析

圖6 多層織物變形示意圖

4 防刺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

許多國(guó)家和地區(qū)都制定有各種不同的防刺性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[18]。美國(guó)司法部制定的NIJ Standard—0101.06《Ballistic Resistance of Body Armor》和英國(guó)Home Office Scientific Development Branch《Body Armour Standards for UK Police(2007)》是目前比較通用的防彈衣和防刺服標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，還有歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)制定的防刺性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ISO/FDIS 14876《Protective Clothing Body Armor》和德國(guó)的《German Schutzklassen Protectivevests Bullet Resistant Vests with Stab Protection》以及我國(guó)GA 68—2008《《防刺服》標(biāo)準(zhǔn)等。

5 發(fā)展趨勢(shì)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)步和人們安全意識(shí)的不斷提高，防刺類(lèi)產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)得到了越來(lái)越多研究人員的關(guān)注，傳統(tǒng)的金屬類(lèi)鎧甲裝備或金屬材質(zhì)的硬質(zhì)防刺材料會(huì)逐步被市場(chǎng)淘汰。一面功能，一面輕質(zhì)，個(gè)體防刺裝甲在滿(mǎn)足保護(hù)人體抵御利器等尖銳物體傷害的基礎(chǔ)上，還要滿(mǎn)足人體穿著的舒適性。目前硬質(zhì)防刺裝甲材料逐漸被半硬半柔質(zhì)防刺材料所取代，但在質(zhì)量和穿著舒適性方面仍然存在諸多不足，應(yīng)用范圍亦會(huì)越來(lái)越小[19]。

現(xiàn)有產(chǎn)品在滿(mǎn)足防刺性能的基礎(chǔ)上不具備防彈性能，防彈裝甲亦不具備防刺性能，在特殊場(chǎng)合中兩套裝甲的重疊使用會(huì)增加人體負(fù)重和穿著舒適性[20]。如何在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出既能防彈又能防刺的多功能防護(hù)服裝是目前需要重點(diǎn)突破的方向。另外，隨著防護(hù)類(lèi)產(chǎn)品在社會(huì)上的廣泛使用及更深入的了解，人們對(duì)防護(hù)用具在不同領(lǐng)域會(huì)有不同的有限防護(hù)需求，更進(jìn)一步地追求穿著時(shí)的舒適性。