液体防弹衣及其研发现状

宋庆庆 袁 红 张梦醒

（中国兵器装备集团兵器装备研究所，北京 102202）

液体防弹衣及其研发现状

宋庆庆 袁 红 张梦醒

（中国兵器装备集团兵器装备研究所，北京 102202）

本文主要对液体防弹衣的基本原理、制作过程以及防弹性能进行描述，同时对国内液体防弹衣的发展现状及其未来的发展趋势进行介绍。

液体防弹衣 防弹性能 STF液体 安全效果

引言

防弹衣是能够阻挡子弹或者硬片伤害人体重要部位的特种保护服装。从外观上看，它与普通服装并无异处，但其内部的特殊材料及结构却可以在紧急时刻阻挡子弹，防止士兵或者警方被伤害。防弹衣作为特殊保护装饰，其阻挡子弹的性能至关重要。从某种角度来讲，防御性能也决定了穿上防弹衣后士兵的灵活性以及安全性。

不同种类的防弹衣具备不同等级的防弹性能[1]。通过防弹材料来划分，目前应用的防弹衣主要分为硬体、软体和软硬复合体三种类型。按照安全级别进行划分，防弹衣可以分为七个级别。第一级别的抵御能力最低，第七级别的抵御能力最强，一般通过其所能抵御的武器来划分。最低级别的防弹衣仅能抵御较小口径、威力不大的手枪的子弹。级别高一点的防弹衣则能够抵御火力较强的武器。第一至第三级别通常都是软体防弹衣，第四至第七级别通常是硬体和复合型防弹衣[2-3]。

随着对安全性能及防弹效果要求的不断提升，更多高性能的防弹材料被应用于防弹衣的设计。目前，较为热门的是液体防弹衣的研制。国内外很多实验表明，液体防弹衣研制成功，具有显著的防弹性能。下文主要对液体防弹衣的基本原理、制作流程以及防弹性能进行描述，同时对国内液体防弹衣的发展现状及其未来的发展趋势进行介绍。

1 液体防弹衣概述

1.1 液体防弹衣的基本原理

液体防弹衣主要由一种特制“剪切增稠液体”（Shear Thickening Fluid，STF）组成。该液体防弹衣材料由大量悬浮在无毒聚乙烯醇流体中的硬质纳米级硅胶微粒组成。通常情况下，STF与普通液体没有区别，柔软且无形。但当子弹或者硬件碎片冲击到它时，STF液体可以瞬间转变成一种硬质材料，对子弹的贯穿进行防御[4]。

液体防弹材料是一种新型纳米智能材料，具有无毒、无污染、不易燃易爆等特点。英国和美国在此项技术中处于领先水平，也取得了一定程度的应用。通常情况下，该液体材料和普通液体一样，具有柔软性和可变性。一旦遇到子弹或者硬片等外力冲击，它瞬间变得坚硬无比，防御外来物穿过，进而实现防弹、防穿透、减震等效果和功能[5]。

1.2 液体防弹制作过程

剪切增稠液体的防弹衣制作过程。当其遭受到机械应力或者剪切时，会顺便变得像固体一样坚硬。换言之，在没有外力作用的通常情况下，其会像液体一样柔软无形，但被其他外来物强烈地冲击或者摇动后，会在几毫秒内变得坚固无比。

在制作STF防弹衣的过程中，研究人员首先会通过酒精对液体进行稀释，然后将凯夫拉纤维浸泡在稀释后的液体中，并通过烤箱等设备将酒精蒸发掉。经过以上过程，STF会完全渗透到凯夫拉纤维中，而纤维也会恰当地固定住这种饱含粒子的特殊液体。当某个外来硬片冲击凯夫拉纤维时，液体会瞬间变硬，使得凯夫拉纤维更加紧密。硬度持续很短的时间，通常只有几毫秒，液体又会变得柔软无比[6]。

另一种情况，可以加固凯夫拉防弹衣的材料是磁流变液体（Magneto rheological Fluid，MRF）。MRF是一种充满铁粒子的油状物。一般情况下，液体中的表面活性剂环绕着粒子，并能够确保其悬浮在液体中。铁粒子的直径通常只有3～10微米。但是，它们直接影响液体的黏滞度。在磁场的干预下，粒子会自动排成一列，使液体迅速变得紧密浓稠，这也是“磁流变液”效果的由来。磁力可以同时改变磁流变液体的形状和黏度。当没有电流流过电线时，防弹衣会很柔韧，但是打开开关后，电流开始在电线中流动，产生出一个磁场，这个磁场会立刻使防弹衣变得坚硬无比。将开关拨到相反的位置后，电流不再产生磁场，防弹衣变回柔韧[7-8]。

1.3 液体防弹衣性能及优点

防弹衣的防御性能从以下两个方面着重体现。第一是防御贯穿性损伤能力，即防御子弹或爆炸产生的高速移动硬碎片的贯穿，防止身体重要部位受到冲击而被击穿；第二是防御非贯穿性损伤能力，即在防弹衣没有被子弹等碎片贯穿的状态下，尽量避免未穿透防弹衣的硬碎片对人体的重要部位造成危害性冲击。通常，影响防弹衣防御性能的主要因素是防弹衣的构成材料及其内部构造。

防弹衣能够实现对子弹等碎片穿透的阻挡，主要是因为其能够吸收或者转换攻击硬片的动能。通俗来讲，其防御主要包含以下两个方面内容：一方面是“阻挡”，将子弹或者硬片阻挡在防弹衣之外；二方面是“吸收”，将子弹或者硬片接纳后利用特殊的防弹材料对动能进行转换，使其无法穿透防弹衣对人体重要器官进行伤害。

研究者对液体防弹衣的防弹性能进行了实验测试。实验通过用一把9mm口径的手枪向一块由31层凯夫拉纤维组成的材料进行射击，再用同一把手枪射击一块由10层卡夫拉尔纤维和上述液体组成的材料。实验结果表明，液体防弹衣能够迅速吸收和转换掉子弹的冲击力和动能，未能够穿透液体防弹衣，且造成的冲击力较小，实验如图1所示。当子弹的冲击力聚集在某一个点或者很小的区域时，其破坏力非常巨大，这也是为什么普通防弹衣并不能完全保护士兵的安全，导致危害事件的发生。

图1 液体防弹衣的防弹性能测试实验

液体防弹衣的主要优点包括：

（1）该技术利用STF剪切增稠液体，当受到外力冲击时，该液体的分子会紧紧结合在一起。

（2）液体防弹衣所需的材料相对较少，说明防弹衣会更加轻薄，其可以更加全面地覆盖使用者的身体，同时保证使用者的灵活性，尽可能小地受到影响。该技术与传统的凯芙拉纤维材料相结合，在保证士兵安全的前提下，使防弹衣的厚度减少多达45%，大大增强了士兵移动的灵活性。

2 液体防弹衣的发展现状及趋势

英国航空航天系统公司于2010年成功开发出一种名为“防弹奶油冻”的新型液体防弹衣，并在近期投入使用。超级液体防弹衣的主要材料是制作防弹衣常用的凯夫拉尔纤维，并在里面加入一种名为“剪切粘稠液体”。这种特殊液体的粘度会随着剪切率的增加而提高。美国紧随其后也在科技创新博览会中展出类似液体防弹衣。

日前，我国自主研发的液体防弹材料研制成功并亮相。由此，我国成为继美国和英国之后第三个掌握该项技术的国家。该材料可广泛用于国防军工，满足尖端武器的研制需要，还可在更广泛的领域投入应用，包括防护装备、塑形缓冲、减震器、高速列车、生产机床、土木工程、体育器材等。试验表明，用该材料制作的防弹衣比传统防弹衣的厚度减少45%，防弹性能提升30%左右。这项具有自主知识产权的科研成果达到世界领先水平，填补了国内空白，打破了国际垄断，有力推进了我国防护材料的研制技术进步。这对于我国提升国防尖端战略武器的研制水平，提高个体防护装备水平和特种装备的防护能力，将产生举足轻重的影响。

同时，新型液体防弹材料受到子弹撞击后会迅速变厚变硬，从而起到卓越的防弹效果。除应用于军事方面外，它还可以广泛应用于户外运动装备、汽车保险杠、减震器、高铁设备等多个领域。当然，随着时代的发展需要，更加性能优异的液体防弹材料也会顺势出现，其必定会带来以下两方面的改进。一是防弹性能的提升，能够抵挡冲击力更强的子弹；二是更加轻盈，使士兵便于作战。

3 结论

防弹衣在公共安全及战争中的应用不容小觑。目前存在的防弹衣种类繁多，随着对安全性能及防弹效果要求的不断提升，更多高性能的防弹材料被应用于防弹衣的设计中。目前，较为热门的就是液体防弹衣的研制，其通过STF液体迅速分散子弹的冲击力，更加柔韧，也更加安全。本文对液体防弹衣的基本原理、制作过程以及防弹性能进行描述，同时对国内液体防弹衣的发展现状及其未来的发展趋势进行介绍，肯定了我国在液体防弹衣方面取得的显著成果，旨在探索液体防弹衣的更多可能性，甚至可以应用到其他防护工具中，保障国家士兵、警方及救护人员的生命安全。

[1]汤胜博，孙建科，常鹏北，等.纳米材料在防弹衣上的应用[J].材料开发与应用，2009，24（2）：60-61.

[2]汪仕林.液体防弹衣在深研制成功[J].功能材料信息，2013，（5）：87.

[3]韩旭阳.波兰研制出液体防弹衣[J].科学大观园，2015，（10）：71-72.

[4]志原.英国BAE公司研发出“液体防弹衣”[J].纺织装饰科技，2011，（1）：27.

[5]林媚，叶春勇.浅谈检测实验室认可的管理要素“质量体系”[J].现代测量与实验室管理，2004，12（2）：52-53.

[6]萨瑟兰.技术改变战争[M].北京：新华出版社，2013.

[7]彬彬.英发明神奇液体防弹衣受子弹冲击时变硬[J].共产党员，2012，35（3）：55.

[8]裴作清，马昊，马汝军.一种新型液体防弹衣：中国，CN102478373.A[P].2012.

Liquid Body Armor and Its Research and Development

SONG Qingqing, YUAN Hong, ZHANG Mengxing
(China Ordnance Equipment Group Research Institute, Beijing 102202)

In this paper, the basic principles, production process and bullet proof performance of the liquid bullet proof clothing are described, and the development status and future development trend of the liquid bullet proof clothing in China are introduced.

liquid body armor, bullet proof performance, STF liquid, safety effect