防彈衣用新型充氣防護(hù)散熱片制備及性能

李金鹿，魏汝斌，張文婷，董彬

(中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031)

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，高速高能槍彈、各種爆炸物爆炸后產(chǎn)生的彈片、沖擊波對防彈衣的防彈性能有了更高的要求[1]。戰(zhàn)士在各種惡劣地形和殘酷氣候環(huán)境下執(zhí)行軍事任務(wù)，要求防彈衣在不降低防彈性能的前提下，穿著舒適輕便，并能維持基本的“人→衣”熱濕交換，持續(xù)散熱，避免防彈衣內(nèi)表面因濕氣積蓄或者高熱囤積而造成悶熱潮濕。此外，還要考慮防彈衣新型結(jié)構(gòu)配件的適配性，兼容性和便捷性。

當(dāng)前世界上防彈衣緩沖層的設(shè)計變化很快，有人曾在硬質(zhì)防彈衣背面墊數(shù)層芳綸織物作為緩沖層，還有人用泡沫塑料片、芳綸針織布、尼龍織物等制作緩沖層[2]。這些材料各有特點(diǎn)，但也限制了部分功能。筆者主要就防彈衣夾層位置緩沖層[3]進(jìn)行了材料制備及結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 充氣防護(hù)散熱片的設(shè)計

1.1 技術(shù)要求

①結(jié)構(gòu)上能夠快速消耗緩釋子彈高速沖擊抗彈層所剩余的動能，增加防彈層與人體的接觸距離，通過大面積沖氣囊減少背凸產(chǎn)生的局部壓強(qiáng)，降低背凸對人體的擠壓，能夠提高穿著舒適感。

②材料外觀設(shè)計簡潔大方，材料本身要求質(zhì)地柔軟，透氣，安裝便捷，穿著舒適，耐水洗，耐磨，重量輕，尺寸可調(diào)，可充放氣，價格低廉，具備浮水救生功能，保證持續(xù)性散熱。

1.2 外觀設(shè)計

圖1為散熱片正面。外觀尺寸面積要求為0.15 m2，尺寸略小于防彈插板最小號。同時，安裝便捷，可以用魔術(shù)貼，拆卸方便。

圖1 散熱片正面

如圖1所示，整個散熱片外觀設(shè)計與防彈插板設(shè)計外形相似，設(shè)計面積接近人體重要器官防護(hù)面積，可前后片同時攜帶。同時還可以根據(jù)使用要求，制成不同大小型號。

1.3 防護(hù)散熱片面料選擇

防護(hù)散熱片面料在選擇過程中以涼爽型纖維及織物為主，需具備以下特征：吸汗排濕、快干易洗的舒適性?？椢镙p薄、高檔、手感干爽，在夏季高溫?zé)釢癍h(huán)境下具有瞬間接觸涼爽感[4]。

總后軍需裝備研究所提出在人體出汗情況下織物熱濕傳遞性能的評價指標(biāo)，為織物的熱濕傳遞性能提供了全面評價依據(jù)[5]。通過吸濕速干纖維材料達(dá)到織物的功能性，市場上性價比高的常規(guī)纖維材料有Coolmax、錦綸等[6]。性能好的高端面料主要有美國杜邦公司生產(chǎn)的Coolmax纖維[7]，日本旭化成公司的聚氨酯纖維[6]，具有吸濕、放濕、導(dǎo)濕性能的國產(chǎn)涼感型竹纖維[9]。云母冰涼纖維是一種新型的降溫散熱纖維[10]。云母的吸水性好，因此云母冰涼纖維具有降溫的作用，且導(dǎo)熱性能優(yōu)異。

防護(hù)散熱片正穿面料以選擇性價比高的涼感面料為主。筆者選擇純棉面料、錦綸針織面料和Coolmax面料三種面料與規(guī)格為77 dtex／48f的云母冰涼纖維針織布，按照美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7024–2004進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，熱流變化量200 W／m2，環(huán)境溫度28℃[8]。通過對銅人體的溫度采集，對比不同面料產(chǎn)生的溫度差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 云母冰涼纖維面料與其他面料進(jìn)行銅人體溫度測試對比結(jié)果

由表1可知，云母冰涼纖維平均溫度31℃，是四種材料中測試溫度相對較低材料。云母冰涼纖維是一種化學(xué)性能較穩(wěn)定的新型降溫散熱纖維，熱傳導(dǎo)率為0.15 W／(m·K)，云母冰涼纖維自身的層疊狀結(jié)構(gòu)決定了其良好的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱性遠(yuǎn)勝于錦綸、滌綸等纖維，利用該特性持續(xù)散發(fā)熱量。采用KESKES–F7型織物風(fēng)格儀，對規(guī)格為77 dtex／48f的云母冰涼纖維針織布表面溫感測試，得到冷溫感數(shù)據(jù)僅為0.14 W／m2。由于云母在纖維織物或紗線中的排列是同向性的，因此邊緣部分的熱傳導(dǎo)影響最為顯著，這也是云母冰涼纖維的導(dǎo)熱性能優(yōu)異的一個重要原因。

云母冰涼纖維吸水性好，因此云母冰涼纖維具有降溫的作用，可使人體感到瞬間接觸涼感。水合在物理化學(xué)中，它表示水分子對被溶解物質(zhì)的強(qiáng)烈親合力，這種親合力是物質(zhì)發(fā)生電離的基本原因之一[11-12]。云母表面帶電荷，脫層后的云母水合性強(qiáng)，易形成一層水化膜，且需在500℃以上才可將水脫除[13]，因此云母含水率高，吸水性強(qiáng)。

1.4 云母冰涼纖維的制備

將4%云母母粒和96%錦綸6切片干燥[14]，按照設(shè)計比例，逐漸添加云母母粒，并與錦綸6切片混合熔融。將熔融狀態(tài)下的纖維高聚熔體從噴絲孔部位緩慢壓出，在周圍空氣中冷凝成絲狀。在這個過程中，溫度要求保持穩(wěn)定不變、且恒壓、恒濕，纖維制備溫度要求在255～258℃。

1.5 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

該結(jié)構(gòu)是一種模塊化的、多功能的氣動裝置，用于改進(jìn)被動通風(fēng)性能、堆疊效應(yīng)、對流氣流、載荷分配及浮水救生等功能。通過這個系統(tǒng)整合成一個防彈衣載體。該結(jié)構(gòu)使用射頻焊接制造，利用手動加壓裝置創(chuàng)建氣密氣動系統(tǒng)。其特點(diǎn)是由位于裝置底部中心的充氣閥發(fā)出的單個垂直方向的蛇形氣腔結(jié)構(gòu)，氣動系統(tǒng)是手動加壓的，通過位于裝置中心底部的充氣閥完成。氣室的最大充氣厚度為12 mm，并與垂直方向的、不充氣的表面區(qū)域相連，其中包含一系列通風(fēng)孔，通風(fēng)孔不被氣室包圍，最小直徑為7 mm，從而形成膨脹的蛇形空氣室模式和非膨脹的通風(fēng)表面。防彈衣新型充氣防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 散熱片充氣結(jié)構(gòu)及局部孔位圖

如圖2a，散熱片質(zhì)地柔軟，可以配套單曲和多曲防彈插板，放大圖2a可以清晰看到(見圖2b)，為了更好透氣散熱，在整個散熱片面板預(yù)留了孔位，這一設(shè)計還有利于魔術(shù)貼與防彈衣之間的粘結(jié)牢固性。

整個結(jié)構(gòu)由四個部分組成，分別是正穿面、氣室、背裝面和充氣閥室。根據(jù)尺寸不同，防彈衣新型充氣防護(hù)結(jié)構(gòu)整體由于尺寸不同，質(zhì)量范圍在0.04～0.085 kg。

(1)正穿面采用云母冰涼纖維涼感面料，該面料具備將體表熱量迅速擴(kuò)散，加速汗水蒸發(fā)排解與降低體表溫感的功能，還可以長時間保持織物與體表接觸的涼爽與舒適，在運(yùn)動中能夠吸收表面的水份與汗水，有效控制緩慢蒸發(fā)水分驅(qū)散熱量，可以降低溫度讓人體皮膚溫度維持在最適宜的狀態(tài)。

(2)氣室采用熱可塑性聚氨酯密封，它不僅擁有高張力、高拉力、強(qiáng)韌和耐老化的特性，而且是成熟的環(huán)保材料。

(3)背穿面采用UBL織物，柔軟舒適，有利于與魔術(shù)貼固定。

(4)充氣閥室具備充氣和排氣功能，根據(jù)個人舒適度需求自由調(diào)節(jié)充氣量，一次充氣量可持續(xù)使用15天。

2 紅外熱成像驗(yàn)證

根據(jù)周圍的環(huán)境條件，防彈衣穿戴者會出汗來調(diào)節(jié)身體核心溫度。圖3為散熱片熱量傳導(dǎo)及散熱片熱量傳導(dǎo)通道示意圖。如圖3a所示，這種排汗結(jié)合對流氣流，增加了從液體到水蒸氣狀態(tài)的變化。如圖3b所示，充氣防護(hù)結(jié)構(gòu)利用煙囪效應(yīng)的對流效應(yīng)使熱空氣從防彈衣頂部逸出，冷空氣從防彈衣底部替代，充氣氣室則為空氣流動提供通道。通過熱成像可以觀察到，即使在熱量離開充氣防護(hù)結(jié)構(gòu)后，從結(jié)構(gòu)頂部逸出的空氣對穿戴者的身體也有顯著的冷卻作用。充氣防護(hù)結(jié)構(gòu)具有垂直方向的充氣氣室，可以顯著減少與防彈衣覆蓋區(qū)域直接接觸的表面積，從而顯著減少防彈衣與皮膚之間的傳熱。人體熱量的自然通風(fēng)和人體與防彈衣之間的汗液蒸發(fā)，將人體產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到充氣防護(hù)結(jié)構(gòu)空腔中，使人體熱量散發(fā)出去。

圖3 散熱片熱量傳導(dǎo)及熱量傳導(dǎo)通道示意圖

佩戴前紅外熱圖成像觀察圖見圖4所示。利用紅外熱成像檢測觀察到，即使在離開充氣結(jié)構(gòu)后，從頂部逸出的空氣對穿戴者的身體也有顯著的冷卻作用，如圖4a所示。產(chǎn)生汗水需要熱源，而增加熱量會降低相對濕度，并能更好地吸收汗水。蒸發(fā)熱量越大，該材料的溫度就越低。對流增加蒸發(fā)，以相對濕度較低的空氣去飽和熱空氣，溫差越大，則對流也越大。人體與裝甲接觸越少，導(dǎo)熱系數(shù)就越低。人體自我調(diào)節(jié)體溫的能力其實(shí)非常小，盡管體溫會保持不變，但“舒適度”會顯著提高。

3 實(shí)際穿戴效果驗(yàn)證

將載有充氣防護(hù)結(jié)構(gòu)的防彈衣和普通防彈衣通過穿戴者進(jìn)行了測試，在室外溫度約28℃左右，跑步3 km測試，效果如圖所示，很明顯看到穿戴者T恤的汗液分布情況。

圖5是實(shí)驗(yàn)者未穿戴和穿戴防護(hù)散熱片前后對比圖。由圖5a、圖5b可以清晰看到，汗液浸透了體恤衫，身體熱量及水分未完全排出，充滿汗液的外套貼身，極為不舒適。圖5c、圖5d是實(shí)驗(yàn)者將散熱片前后兩片穿著后示意圖。經(jīng)過3 km跑步測試后，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者的體恤衫相對干爽，除了散熱片通道支撐點(diǎn)有汗液痕跡，大部分區(qū)域保持干爽。

圖4 實(shí)驗(yàn)者未穿戴和穿戴散熱片背面及正面圖

4 結(jié)論

自制充氣防護(hù)結(jié)構(gòu)有利于改善防彈衣載體人體工學(xué)的負(fù)載均勻分布、減輕疲勞、減振、增加耐力、提高人體性能。該結(jié)構(gòu)采用無縫加工成型，集薄、輕、靈活于一體，提高作戰(zhàn)人員的日常舒適度和工作效率。充氣防護(hù)結(jié)構(gòu)具有垂直方向的充氣氣室，這一結(jié)構(gòu)不但減少了人體與防彈衣覆蓋區(qū)域直接接觸的表面積，還增加了人體與防彈衣之間的接觸距離，不但能起到良好的緩沖作用，還可以減少抗外傷深度，從而降低非貫穿性傷害。