姬燕飛 王紅梅 原曉城 張國(guó)寧

高分子材料在軍事抗彈領(lǐng)域的應(yīng)用

姬燕飛 王紅梅 原曉城 張國(guó)寧

（天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司，天津，300384）

本文闡述了高份子材料的特點(diǎn)、防彈材料的結(jié)構(gòu)原理和作用機(jī)制，歸納了高分子材料在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了發(fā)展趨勢(shì)。

高分子材料；結(jié)構(gòu)；防彈

高分子材料是由相對(duì)分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料，也稱為聚合物材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復(fù)合材料。它是一類(lèi)以平均分子質(zhì)量較高的化合物為基體，再配以其他添加劑所構(gòu)成的材料。由于大量原子彼此以共價(jià)鍵結(jié)合形成相對(duì)分子質(zhì)量特別大、具有重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的有機(jī)化合物，高分子材料相對(duì)于小分子，具有顯著的特征，一是分子量大，一般在10000以上，二是分子量分布具有多分散性。高分子化合物與小分子不同，它在聚合過(guò)程后變成了不同分子量大小的許多高聚物的混合物。高分子材料按照來(lái)源不同分為天然高分子材料和合成高分子材料。

高分子材料和另外不同組成、不同形狀、不同性質(zhì)的物質(zhì)復(fù)合粘結(jié)而成的多相材料成為高分子復(fù)合材料。高分子復(fù)合材料最大優(yōu)點(diǎn)是博各種材料之長(zhǎng)，如高強(qiáng)度、質(zhì)輕、耐高溫、耐腐蝕、絕熱、絕緣等性質(zhì)。根據(jù)應(yīng)用目的，選取高分子材料和其他具有特殊性質(zhì)的材料，制成滿足需要的復(fù)合材料。高分子復(fù)合材料分為兩大類(lèi)：高分子結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和高分子功能復(fù)合材料。高分子結(jié)構(gòu)復(fù)合材料包括兩個(gè)組分：①增強(qiáng)劑。為具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫的纖維及織物，如玻璃纖維、氮化硅晶須、硼纖維及以上纖維的織物。②基體材料。主要是起粘合作用的膠粘劑，如不飽合聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚酰亞胺等熱固性樹(shù)脂及苯乙烯、聚丙烯等熱塑性樹(shù)脂，這種復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量比金屬還高，是國(guó)防、尖端技術(shù)方面不可缺少的材料[1]。高分子功能復(fù)合材料是由高分子基體材料與具有某種特殊功能的材料共同結(jié)合構(gòu)成，如將具有導(dǎo)電、半導(dǎo)電、磁性、吸波、透聲、光感、高吸水倍率等性質(zhì)的材料，與粘合劑復(fù)合而成，使之具有新的應(yīng)用功能。

1 凱夫拉纖維

20世紀(jì)60年代美國(guó)杜邦(DuPont)公司研制成功超高強(qiáng)度、超高模量、耐高溫的合成纖維——?jiǎng)P夫拉(Kevlar)，并很快在防彈領(lǐng)域得到了應(yīng)用[2]。這種高性能纖維的出現(xiàn)使柔軟的紡織物防彈衣性能大為提高，同時(shí)也在很大程度上改善了防彈衣的舒適性。美軍率先使用Kevlar制作防彈衣，并研制了輕重兩種型號(hào)。新防彈衣以Kevlar纖維織物為主體材料，以防彈尼龍布作封套。其中輕型防彈衣由6層Kevlar織物構(gòu)成，中號(hào)重量為3.83千克。相比尼龍和玻璃纖維防彈衣，重量減輕50%；在單位面積質(zhì)量相同的情況下，其防護(hù)力至少可增加1倍，并且具有很好的柔韌性。

圖1 聚対苯二甲酰二胺結(jié)構(gòu)式

圖2 凱夫拉紡織材料單絲結(jié)構(gòu)

圖3 凱夫拉紡織材料

圖4 凱夫拉材料紡絲分子鏈取向示意圖

“Kevlar”（凱夫拉）是商標(biāo)名，實(shí)際材質(zhì)為聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺，它是屬于一種液態(tài)結(jié)晶性棒狀分子。這種液態(tài)結(jié)晶性棒狀分子結(jié)構(gòu)，可以在濃溶液中形成高度有序的相疇，在紡絲定向拉伸時(shí)，相疇沿著剪切方向形成幾乎完美的分子取向，而賦予凱夫拉纖維極高的強(qiáng)度和模量。

2 超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）是由相對(duì)分子質(zhì)量在100萬(wàn)到500萬(wàn)的聚乙烯紡成的纖維，是目前世界上強(qiáng)度最高與比重最輕的纖維，同等質(zhì)量的纖維比鋼絲強(qiáng)度高15倍。在國(guó)防軍需裝備方面，由于該纖維的耐沖擊性能好，比能量吸收大，在軍事上可以制成防護(hù)衣料、頭盔、防彈材料，如直升飛機(jī)、坦克和艦船的裝甲防護(hù)板、雷達(dá)的防護(hù)外殼罩、導(dǎo)彈罩、防彈衣、防刺衣、盾牌、降落傘等，其中以防彈衣的應(yīng)用最為引人注目。它具有輕柔的優(yōu)點(diǎn)，有資料報(bào)道現(xiàn)已成為占領(lǐng)美國(guó)防彈背心市場(chǎng)的主要纖維。另外超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料的比彈擊載荷值U/p是鋼的10倍，是玻璃纖維和芳綸的2倍多。國(guó)外用該纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂復(fù)合材料制成的防彈、防暴頭盔已成為鋼盔和芳綸增強(qiáng)的復(fù)合材料頭盔的替代品。

3 液體防彈材料(TBS)

液體防彈材料(TBS)的主要成分是一種特制“剪切增稠液體(STF)”，這種液體一般由分散粒子SiO2和有機(jī)物分散介質(zhì)乙烯基乙醇、聚乙二醇、聚丙二醇或者礦物油等一種或幾種的混合物組成。“剪切增稠液”中自由懸浮著粒子，當(dāng)液體因?yàn)閯×覜_擊而被攪亂時(shí)，其中的特殊粒子相互碰撞，形成了對(duì)這種攪動(dòng)的抵抗力。當(dāng)攪動(dòng)力足夠大時(shí)，這些粒子其實(shí)就已被相互“鎖定”。當(dāng)子彈高速撞擊這種材料時(shí)，“剪切增稠液”就會(huì)吸引撞擊能量，并迅速變得極其堅(jiān)硬，從而吸收子彈的沖擊能量。

4 碳納米管材料

碳納米管是迄今為止發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好的材料之一，有著極高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率[3]。其密度只有鋼鐵的六分之一到四分之一，單位質(zhì)量上的拉伸強(qiáng)度，卻是鋼鐵的276倍，彈性模量參數(shù)，碳納米管比凱夫拉強(qiáng)2.4倍，綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前人類(lèi)發(fā)現(xiàn)和制造的其他任何材料。防彈效果上主要是體現(xiàn)在彈性模量上，也就是說(shuō)碳納米管纖維盔具或防彈衣比凱夫拉的抗擊強(qiáng)度最起碼高2.4倍。更薄、更柔軟，重量只有傳統(tǒng)防彈衣使用的凱夫拉的一半，而且還可以防刺傷，通過(guò)碳納米管硬化影響防止刀具穿透。但碳納米管紡織成型制成服飾依然受技術(shù)限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)限制了碳納米管的廣泛應(yīng)用，盡管如此以其優(yōu)異的力學(xué)性能，依然會(huì)成為抗彈領(lǐng)域優(yōu)選的材料之一。

圖5.碳納米管受力變形示意圖

5 新材料之王—石墨烯

作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”[4]。極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

圖6 石墨烯材料受力變形模擬圖

研究石墨烯防彈衣的科學(xué)家表示，石墨烯制成的防彈衣?lián)碛?倍于現(xiàn)有防彈衣技術(shù)（凱夫拉）的防護(hù)能力。雖然目前石墨烯依然不能單獨(dú)制成強(qiáng)有力的材料，但是能多層復(fù)合到結(jié)構(gòu)材料中，這樣就能制止其受彈擊后向外碎裂的過(guò)程。石墨烯防彈材料可廣泛應(yīng)用于武裝直升機(jī)防護(hù)裝甲、防彈衣、輕型防護(hù)裝甲、防爆裝備等軍工產(chǎn)品中，在民用防彈材料市場(chǎng)及軍用防彈材料市場(chǎng)均具有廣闊的市場(chǎng)前景。

6 壓縮玻璃碳

壓縮玻璃碳是一種新型碳材料，具備石墨和金剛石的成鍵特征，是一種由sp2和sp3組成的混合雜化物，具有奇異的性能，密度和導(dǎo)電性與石墨相近[5]。其壓縮強(qiáng)度明顯高于金屬和陶瓷材料，比強(qiáng)度是碳纖維、聚晶金剛石、碳化硅和碳化硼陶瓷的2倍以上。其硬度與寶石相當(dāng)，可刻劃碳化硅單晶。其局部變形的壓入彈性恢復(fù)率在70%以上，明顯高于金屬和陶瓷材料，甚至高于形狀記憶合金和有機(jī)橡膠。壓縮玻璃碳集輕質(zhì)、超強(qiáng)、高硬、高彈和良好導(dǎo)電性于一身，具有優(yōu)異的綜合性能和許多潛在應(yīng)用，如軍用裝甲和航空航天等領(lǐng)域。

7 動(dòng)物蛋白—蜘蛛絲

蜘蛛絲的彈性和柔韌性都很好，耐沖擊性強(qiáng)，耐低溫性能好，在-40℃的條件下仍能保持彈性。強(qiáng)度高質(zhì)量輕是制作防彈衣的理想材料。而且，蜘蛛絲是由蛋白質(zhì)組成，因而是生物可降解的天然材料，對(duì)環(huán)境友好。但是無(wú)法工業(yè)化大量生產(chǎn)人造蜘蛛絲，且人造蜘蛛絲的強(qiáng)度只能達(dá)到天然蜘蛛絲的1/3，還無(wú)法達(dá)到防彈纖維的要求。但由于蛛絲這種蛋白纖維具有合成纖維一些不具備的優(yōu)點(diǎn)，因此依然是制造防彈衣的備選材料。

8 展望

總體來(lái)說(shuō)，防彈材料的開(kāi)發(fā)在朝著舒適輕量、全方位防護(hù)和仿生化的方向快速發(fā)展。新材料的不斷出現(xiàn)，為防彈材料的開(kāi)發(fā)提供了越來(lái)越多的可能，使防彈材料向著兼具輕便性和防護(hù)性更好發(fā)展。

[1]魏化震,鐘蔚華,于廣.高分子復(fù)合材料在裝甲防護(hù)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].材料工程,2020,48(08):25-32.

[2]董家君. 高壓下石墨與玻璃碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變研究[D].吉林大學(xué),2020.DOI:10.27162/d.cnki.gjlin.2020.000619.

[3][4]莫淑霖.杜邦公司的創(chuàng)新求生之路[J].中國(guó)纖檢,2019(08):108-109.DOI:10.14162/j.cnki.11-4772/t.2019.08.032.

[5]韓笑,董玉華,周瓊.氧化石墨烯/聚偏氟乙烯復(fù)合涂層的機(jī)械性能與防腐性研究[J].涂料工業(yè),2016,46(05):1-6.

姬燕飛，男，1983年生，安徽碭山人，橡膠加工工藝工程師，現(xiàn)在天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司從事膠布制品研發(fā)和工藝控制工作。