徐玲玲　李亞濱

摘 要：介紹了柔性防刺材料的分類及特點，通過比較各種相關行業(yè)標準分析了其在研究和生產開發(fā)過程中需要面對的主要問題，并對柔性防刺服裝的未來作出展望。

關鍵詞：防刺材料；柔性；分類

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.183

0 引言

世界上的局部戰(zhàn)爭和暴力活動時有發(fā)生，防彈防刺服是戰(zhàn)爭和反恐活動中必不可少的裝備，能保護生命安全，維持士氣和戰(zhàn)斗力，是行動勝利的重要保障。很多國家槍支彈藥的管控非常嚴格，刀具的切割、刺和劃等是主要威脅，由此性能更加優(yōu)異的個體防刺裝甲成為國內外的研究熱點。

依據材料的不同可將防刺服分為硬質、半柔和軟質三種[1]。硬質防刺服以金屬材料作為護板；軟質防刺服以高性能化學纖維織物為基質，外部包敷一層其它織物；半柔防刺服以纖維和金屬復合材料作為護板[2]。不同的防刺材料及結構，其防刺效果和防刺機理有很大區(qū)別。早期硬質防刺服防性能十分優(yōu)秀，但質量和剛性對活動和穿著舒適性有較大限制。而柔性防刺材料憑借其優(yōu)良的柔韌性和隱蔽性，帶動了國內外研究機構、各大院校及相關公司對其的研究和開發(fā)。

1 柔性防刺材料的類型及特點

高性能纖維是柔性防護材料主要原料，依靠機織材料、針織材料、非織造材料以及無緯布單獨或復合組成。通常為強柔性防刺材料的防刺性能，涂層和浸漬處理的方式也有應用。

1.1 機織防刺材料

機織材料多是平紋組織或三維機織組織（圖1），也有少量緞紋組織。Du -Pont 公司在專利US 6323145種描述了以高強高模芳綸纖維為原料織造而成的具有交織結構的織物（物圖2）。

機織物組織結構相對緊密，帶有銳利尖端的器具很難刺入，其中高支高密平紋結構性能更優(yōu)。刀具刺穿過程中，一旦刺穿織物就變?yōu)榈度袑喚€的切割作用，紗線被刀刃割斷后，機織材料原本的經緯紗線交織的結構受到破壞，材料表面的刺穿點會突然擴大成裂口，從而影響防刺性能。

1.2 針織防刺材料

針織防刺材料采用經編結構、緯編結構或者三維組織結構[3]（圖1），此外還有三維編織結構。

針織物的柔軟性和自身的線圈結構在面對尖銳武器刺入時，能有效吸收穿刺沖擊能。經緯編織物在縱橫向由線圈串套而成，紗線連成一體，在刺入過程中，織物的線圈會發(fā)生滑移，紗線滑移導致相鄰線圈抽緊，隨著紗線滑動被抽緊的線圈增多，紗線間摩擦力增大，阻止被刺線圈擴張的過程中會吸收一部分沖擊能，當紗線無法滑動時，針織物變形達到“自鎖”狀態(tài)[4]。如果針織物結構緊密，紗線剪切力足夠大，自身織表在此狀態(tài)前仍然沒有被剪斷，那么在此過程中沖擊能已被消耗大半。此外針織防刺材料的線圈結構，也可以一定程度上裹滯銳器尖端。

1.3 非織防刺材料

非織造防刺材料以針刺成型為主，熱黏合及水刺成型也有應用。為了達到規(guī)定的防刺能力，通常必須復合多層非織物，甚至可達十幾層。

非織造片材是通過短纖維或者纖維長絲經過成網和固網工藝而形成的，屬于柔性纖維質材料。不同的加工方式形成不同的結構特征，隨著非織造技術的發(fā)展，在防刺領域應用更為廣泛。理論上非織造片材的成型方式使其在面內各向同性，面對尖銳武器的刺穿有很好的防護作用，但在實際研發(fā)中發(fā)現(xiàn)，由于面內纖維排列相對疏松，抱合力差，非織物抗刀刃刺割的能力不強。

1.4 無緯布防刺材料

無緯布是柔性單向（UD）復合材料片，一般用于防彈材料，防彈層可通過多層無緯布的疊加構成。無緯布采用超高強高模聚乙烯纖維（UHMWPE）或是芳綸纖維單向平行排列，經過熱塑性樹脂黏結成型后，再通過經0°/90°正交層壓進行復合（圖4），最終織物表面不存在交織點。

無緯布的最大優(yōu)勢是組織結構中纖維不存在屈曲，彈擊或刀刺割的能量由接觸點向外傳播更快；其次，纖維沒經過織造，不會產生彎折，纖維的抗拉強度、抗拉模量等力學性能保持率高，利于防護性能的提高。無緯布被廣泛應用在防彈領域，在防刺中也有一定應用。但在制造防刺服時，為達到其他防刺材料的防刺水平，硬度較高，不能滿足服用性能。

1.5 復合防刺材料

不同組織結構的防刺材料的優(yōu)勢和不足可通過將材料復合來改善，機織物或針織物與非織造布復合是最常見的。緊密結構的非織造防護材料質量輕，面密度小，能有效防護尖銳道具的穿刺，與機織或針織材料復合增強了材料的抗剪切性。此外，纖維材料復合后再織成織物防刺性能也有效提高。纖維材料的復合是指將兩種或多種不同材料以不同方式組合成纖維制品，克服使用單一組分材料時的缺點，使材料的應用范圍更廣。例如，芳綸纖維與UHMWPE纖維進行復合，材料防護能力提高，染色性和手感也得到改善。

復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學腐蝕和耐候性等特點，已逐步取代木材及金屬合金。復合材料的分類方法很多，按基體分類，可分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復合材料。其中樹脂基所占比重最大，并能有效防止氣候環(huán)境對纖維力學性能的影響，在刀具穿刺過程中，樹脂能防止紗線滑移和斷裂引起的裂口變大，提高材料的防刺性能。

1.6 剪切增稠液體（STF）無緯布防刺材料

剪切增稠液體（STF）是美國陸軍研究實驗室與特拉華州立大學合成物質研究中心于2000年研制出的。STF是由分散相粒子和分散介質組成， 是一種非牛頓力學行為可逆流體，在平衡狀態(tài)下，表現(xiàn)為分散膠體形式；在高速剪切力作用時， 其黏度急劇增加， 表現(xiàn)出固體行為。高性能防護材料在被STF浸滲后， 維持材料原有的防刺等級時，能一步減輕裝甲重量，顯著提高穿著舒適度。

防刺材料通過STF 浸漬后，銳利武器沖擊材料時，一方面是尖端刺入試樣， 沖擊力的作用下STF 增稠，使纖維間的摩擦力增大阻止尖端進一步刺入；另一方面，STF 增稠后“粒子簇” [5]對銳利武器有一定的鈍化作用。

1.7 粉末涂層織物

涂層織物即表面涂覆薄膜的紡織品，能改變織物外觀和風格， 賦予織物多種功能， 是國內外當今紡織工業(yè)發(fā)展的方向之一。日本帝人公司的Twaron SRM 就是粉末涂層織物的典型產品。

Twaron SRM選取PPTA纖維織物，在織物表面上用金剛石粉末或碳化硅粉末材料涂層。金剛石是目前在地球上發(fā)現(xiàn)的眾多天然存在中最堅硬的物質，莫氏硬度值10，克氏顯微硬度10000kg/mm2，顯微硬度比石英高1000倍，比剛玉高150倍，碳化硅的硬度莫氏刻痕硬度為9.2，克氏顯微硬度為2200～2800kg/mm2。在刀具的穿刺切割過程中，涂覆的硬質剛性粒子能夠磨蝕刀刃，使刀具鈍化變形，弱化了切割能力，難以再切斷纖維材料，阻止裂口加大和刀刃進一步的破壞，從而有效防護。

2 柔性防刺材料現(xiàn)存的問題

2.1 標準中存在的問題

我國現(xiàn)行的防刺標準中要求“不允許測試刀具刀尖的穿透”，對比國際上的其他防刺標準，我國對防刺產品的要求遠遠高于其他國家。為了使生產的產品的防護能力符合標準，伴隨的就是產品舒適性差和成本更高。也使得執(zhí)法人員不能長時間的穿著防護產品，在民用更難得到發(fā)展。標準的約束還導致了防刺產品功能單一，防刺衣更是僅僅固著在防止利刃刺穿上。如能在在保證穿著和使用者的生命安全的基礎上，改良標準，適當降低防護級別，便會提高防刺服穿著舒適性和產品的功能性。

2.2 材料中存在的問題

防刺材料大類可分為金屬和非金屬，柔性防刺材料一般使用非金屬材料短纖緯無紡布或者無緯布，用改性樹脂涂覆制得。目前研究表明，子彈沖擊和銳利武器刺穿的過程，防護物理學機理并不相同，所以同一種防護材料沒有辦法兼具優(yōu)良的防彈性能和可靠的防護刀具刺穿的性能。為了功能多樣性，可采用不同優(yōu)勢的原料搭配取長補短，得到更優(yōu)異的防護性能，不過不同材料的自身特性不同，加工方式不同，也會給生產上帶來問題，因此要注重產品的生產效率。

改性樹脂涂覆防刺材料雖然有良好的防護作用，但樹脂復雜的成分非常有可能使防刺纖維材料在短于預期時間時就老化，產品無法在有效使用期內保證應有防護性能。選材沒有經過大量試驗，造成了防刺材料的制品良莠不齊，直接導致防護服成衣在選材方面的困難重重。為了生產可靠的防護用具，在選材上要更為慎重，以此同時更需生產前通過大量的破壞性試驗手段來確?？煽啃裕@也無疑增加了產品的生產投入成本。

3 發(fā)展趨勢

越來越多的研究者致力于防刺材料的開發(fā)和研究，防刺產品受到了極大關注的同時更得到了迅猛發(fā)展。主體為金屬的硬質防刺材料或者是以纖維織物與金屬復合后制得的半硬半柔防刺材料因為重量大和舒適性差等缺陷，應用只會越來越少，最終被徹底取代。

在節(jié)約成本和國家財政資金的角度上，兼具防彈和防刺的多功能防護服裝會逐漸成為執(zhí)法機構裝備配備的最主要產品。不僅如此，隨著人們對于防護用具認識的不斷加深，人們會逐漸改變防護用具一定要絕對安全的想法，轉而進一步理解防護用具的有限防護的概念，更加追求防護用具的舒適程度和合適程度。防刺服的發(fā)展方向從原來的絕對可靠性向柔軟和輕質轉變，追求更高的性能/質量比。在重視程度不斷加大，發(fā)展迅猛的今天，最終一定會研發(fā)出新型、安全的防彈防刺服等防護產品或者更加有效的新材料。

參考文獻：

[1]熊杰，施楣梧，申屠年，周國泰，王善元.纖維集合體裝甲的研究進展[J].高科技纖維與應用，2001（04）：11-16+34.

[2]王穎，徐伯俊.防刺服的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].紡織導報，2011（01）：83-84.

[3]晏義伍，曹海琳，趙金華.納米混雜Kevlar/Surlyn復合材料的制備與防刺性能研究[J].中國個體防護裝備，2012（03）：5-9.

[4]徐素鵬，張玉芳.STF/UHMWPE織物復合材料防刺性能的研究[J].西安工程大學學報，2012（03）：285-288.

[5]王志建.三維梯度組織機織防剌織物[J].廣西紡織科技，2010（03）：10-12.