防弹防刺面料研究概况*

闫卫星 郭艳文 陈红霞 曹海建 黄晓梅

南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019

近年来，国际局势瞬息万变，局部战争不断爆发，如巴以冲突、阿富汗政权变动等类似事件时有发生；国内方面，我国虽然实行严格的枪支管制措施，但是匕首、刀具威胁事件仍时有发生。这些都促使人们重视个人防护和公共安全问题，且对防护产品的性能提出了更加严苛的要求[1]。

防弹防刺服用材料经历了从金属材料到陶瓷材料，再到高性能纤维增强复合材料的更新换代过程。其中，高性能纤维增强复合材料相比金属材料和陶瓷材料，前者具有密度低、比吸收能高、比强度和比模量大等优点，是实现防弹防刺服轻量化、一体化至关重要的一种材料。众多学者已针对高性能纤维增强复合材料的防弹、防刺性能展开研究[2]1-6,[3]。但防刺和防弹的作用机理并不同，仅单一结构的装备不能同时发挥防弹和防刺的作用。以公安人员面对歹徒为例，他们无法提前预知歹徒所持的凶器，若此时穿着不合适的防护装备则会埋下意外受伤害的隐患[4]36-40。因此，兼具防弹和防刺性能的防弹防刺面料成为了重点研究的对象。当前，关于防弹防刺服的相关文献较少，本文将从纤维、织物结构、力学性能、防弹性能、防刺性能、防护机理及相关标准等方面，介绍防弹防刺面料的研究概况，以期为防弹防刺服的研究提供帮助。

1 防弹防刺面料用纤维

进入21世纪以来，一批高性能纤维如芳纶、超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维、聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维等因高强度、高模量、耐高温等优良特性，被广泛应用于防护领域[5-6]。

1.1 芳纶

防弹防刺面料用芳纶多为芳纶II (聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)和芳纶III(杂环芳香族聚酰胺纤维)[7]。芳纶II产品主要有美国杜邦公司生产的KEVLAR纤维和日本帝人集团生产的TWARON 纤维等[8]；芳纶III产品主要有俄罗斯特威尔化纤公司生产的ARMOS 纤维和俄罗斯卡门斯克化纤公司生产的 RUSAR纤维等。芳纶II的纤维模量是玻璃纤维的2～3倍，比强度是钢丝的6倍、玻璃纤维的3倍，密度仅约为玻璃纤维的1/2，但其耐光性能差，芳纶II经紫外光照射后力学性能下降[9]。与芳纶II相比，芳纶III的力学性能更加优异，其所含杂环结构有利于纤维与树脂之间形成良好的界面，故利用芳纶III制备的防弹材料其防弹性能较芳纶II制备的更优异[10]。

1.2 UHMWPE纤维

UHMWPE纤维具有优良的力学性能，其比强度和比模量高于KEVLAR纤维，抗冲击性能优于碳纤维，对应力波的传播速度更快，且耐化学性和生物相容性好，密度小，但其熔点低，不耐高温，最高使用温度不能超过120 ℃[11-13]。

UHMWPE纤维最先是由荷兰DSM公司通过凝胶纺丝法制得的[14]。我国目前也已有多家公司能够自主生产UHMWPE纤维，且申请了相关专利。

1.3 PBO纤维

PBO纤维被誉为“21世纪超级纤维”，其具有杰出的力学性能，模量高达280 GPa、强度高达5.8 GPa，且阻燃性、耐热性和绝缘性优异，质地柔软，密度小，耐氧化性能及化学稳定性好，但耐光老化能力极差(不及芳纶)，纤维表面光滑且惰性大，纤维与涂层结合力较弱[15-16]。

1.4 混杂纤维

当单一纤维不足以满足人们对材料性能的要求时，混杂纤维是获得防弹、防刺性能材料的一种重要途径。曲一等[17]提到，由于防弹与防刺的机理不同，且单一材料较难兼具良好的防弹性能和可靠的防刺性能，故可通过混杂的方式实现材料的防弹、防刺性能。周杰才等[18]提到，将UHMWPE纤维和KEVLAR纤维混杂可实现防弹性能与防刺性能的兼顾。季小强等[19]对复合材料中3种纤维织物的铺层顺序进行了设计，并测试了复合材料的弹道极限速度和吸收能量，发现厚度方向上纤维织物的混杂能够提高复合材料的防弹性能。Bao 等[20]在复合层合板厚度方向上混杂碳纤维和芳纶，即以碳纤维复合材料作为迎弹面、芳纶纤维复合材料作为背弹面，发现复合层合板的防弹性能优于纯碳纤维复合材料和纯芳纶复合材料。Cheon 等[21]研究发现，碳纤维铺层于表面、芳纶纤维铺层于背面的碳/芳杂化复合材料，其防刺性能优于单一碳纤维复合材料。

2 防弹防刺面料用织物结构

织物结构对防弹防刺面料的防弹、防刺性能有着重大的影响。目前，防弹防刺面料常用的结构有二维机织结构、三维机织结构、单向(UD)结构、针织结构及复合结构等。

2.1 二维机织结构

二维机织结构是防弹防刺面料常用的织物结构。其中，平纹组织是首选[22-23]，这与平纹组织相较于其他组织具有更紧密的结构、更好的结构稳定性和更优异的能量吸收效率有关[24-25]。Koohestani等[26]研究发现，机织物中纱线的屈曲程度会影响机织物对能量的吸收及其防弹性能。卷曲结构多的机织物在弹道碰撞过程中，所含纱线完成拆解需要更多的时间，但实际上纱线在达到充分伸展之前就已发生断裂，这不利于能量的吸收。周熠等[27]研究发现，平纹织物中纱线间的摩擦性能会影响织物对能量的吸收及其防弹性能，且随着纱线间摩擦因数的增加，平纹织物对能量的吸收呈先增加后减小的趋势，故纱线间存在一个最佳摩擦因数。

二维机织结构在防刺材料上的应用时间最早，其中平纹组织织物因组织点多,结构较为紧密,纱线不易产生滑移,厚度相对较薄,质量较小等优势，已广泛应用于防刺材料中[28]。李聃阳等[29]探究了织物组织结构对芳纶复合织物抗刀刺性能的影响，发现平纹芳纶复合织物的抗刀刺性能比斜纹芳纶复合织物的好，这与平纹组织织物拥有更多的交织点、结构更为紧密有关。

2.2 三维机织结构

与传统二维机织物不同，三维机织物在厚度方向上通过添加捆绑纱(即Z纱)增强了织物的层间联系，实现了多层纱线的捆绑，并形成了一个整体，织物的剪切强度和抗冲击性能提高[30]。与利用二维机织物制备的复合材料相比，利用三维机织物制备的复合材料具有不易分层、抗蠕变、层间强度高、结构设计性强等优点，已成功应用于军工、国防和建筑等领域[31]。张永革等[32]研究发现，三维正交机织物复合材料的能量吸收值远大于层压复合材料的，原因主要在于材料的抗冲击性能与其厚度及厚度方向上存在的纱线有着密不可分的联系。

优良的力学性能使得三维机织物在防刺材料中具有很大的优势。钟智丽等[33]及叶明琦[34]研究发现：三维机织物密度越大、排列越紧密，其防刺效果越好；相同织造工艺条件下，纱线捻度增加，则三维机织物的防刺性能表现出增强的趋势；与三维高密UHMWPE织物相比，三维高密KEVLAR织物的防刺性能更优异。

2.3 UD结构

KEVLAR、UHMWPE等高性能纤维与热塑性树脂复合制备的UD结构织物，既具有优良的力学性能，又具有良好的动能吸收性，且防弹性能优异。UD结构是目前防弹织物采用较多的一种结构[35]。如今，随着水性胶黏剂技术的发展及生产工艺的改进，UD布也已逐渐被应用到防刺产品中[36]。虎龙等[37]、许东梅等[38-39]研究发现，采用UD结构的防弹防刺服可以较好地兼具防弹和防刺性能。Zhang等[40]研究发现，在热压固化法制备的分别由单向预浸料、二维平纹织物和三维正交织物增强的UHMWPE复合层合板中，单向预浸料增强的UHMWPE复合层合板的防弹性能最优。

UD布的防弹、防刺性能与其中的树脂含量、树脂种类及纤维展丝宽度等因素有关。马华菁等[41]研究发现，树脂含量过低会导致纤维之间的黏结力降低，纤维结构松散，这不利于纤维协同作用的发挥和对应力的传播；树脂含量过高会导致纤维受到的束缚力过强，纤维“塑化”并易发生脆性断裂，无法发挥自身的强度，材料防弹性能降低。吴中伟等[4]36-40研究发现，树脂种类不同，UD布性能也不同。硬度高的树脂有利于UD布防刺性能的提高，但防弹性能会有所降低。方心灵等[42]研究发现，当芳纶UD布中纤维展丝宽度为(2.5±0.5)cm时,靶片防弹性能较优。

2.4 针织结构

针织物具有良好的可变形性，其服用性能优异，故针织结构是柔性防刺材料中常用的织物结构形式。李丽娟等[43]研究发现，采用UHMWPE纤维制备的经编针织物的准静态防刺性能比其机织物的更好。纬编针织物具有优良的冲击能量吸收性[44]。当刀尖接触纬编针织物时，织物中的线圈可以阻碍刀尖的移动，消耗刀具的能量，从而使织物具有一定的防刺性能。李宁等[45]研究发现，相较于纬平针组织织物和畦编组织织物，罗纹组织织物的防刺性能最好。

2.5 织物结构的复合

织物结构的复合是提高防弹防刺面料防弹、防刺性能，减小防弹防刺面料质量的途径之一。袁子舜等[46]对UHMWPE纤维制备的平纹织物和UD布进行铺层顺序设计，并制成靶板，发现平纹织物和UD布的铺层顺序对靶板的防弹性能有较大的影响，且迎弹面为平纹织物的靶板其防弹性能比背弹面为平纹织物的靶板的更好。吴道正等[47]研究发现，采用机织结构与非织造结构交替铺层方式制备的防刺服，与单一结构的织物制备的防刺服相比，前者能在满足防刺性能要求的同时，兼顾质量、厚度、舒适性等要求。高晓清等[48]研究发现，利用机织结构和UD结构制备的复合材料实现了防弹、防刺性能的兼顾。

3 防弹防刺面料的力学性能

防弹防刺面料的力学性能主要包括拉伸性能、弯曲性能、剪切性能等，已有学者从纤维、织物、树脂等角度对防弹防刺面料的力学性能进行了探究。

不同种类的纤维力学性能各异，故制成的防弹防刺面料力学性能不同。Bao等[20]研究发现，芳纶纤维增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度低于碳纤维增强环氧树脂基复合材料的，而断裂伸长率高于碳纤维增强环氧树脂基复合材料的。不同结构的织物中纤维排列方式不同，这也将导致不同结构织物制备的防弹防刺面料在不同方向上力学性能有差异。陈利等[49]研究发现，在三维机织复合材料中加入衬经纱，能提高三维机织复合材料的经向拉伸性能、压缩性能及弯曲性能。树脂含量，以及树脂与纺织材料间的界面性能，也是影响防弹防刺面料力学性能的重要因素。树脂含量过高将导致纺织材料含量降低，纺织材料能承担的载荷减少，防弹防刺面料力学性能下降；树脂含量过低将影响树脂与纺织材料间的界面性能，导致树脂无法很好地传递载荷，防弹防刺面料力学性能下降。易凯等[50]研究发现，芳纶纤维增强环氧树脂基复合材料层合板在最佳树脂含量时综合性能最好。孙春凤等[51]研究发现，纤维增强树脂基复合材料中树脂含量过高或过低，都将无法最大限度地发挥复合材料的力学性能和耐冲击性能。

4 防弹防刺面料的防弹性能

防弹防刺面料的防弹性能包括抗侵彻性能和抗凹陷性能两方面。其中，抗侵彻性能用v50值(即弹道测试时对一定面密度的防弹靶板贯穿概率为50%的弹头入射速度)和靶片比能量吸收值(SEA值)来表征；抗凹陷性能以靶板凹陷的深度来表征[52]。树脂含量对复合材料的防弹性能也有重大影响。树脂含量过高，则纤维受到的束缚增强，此时材料若受到子弹的侵彻则不易被拉伸，故无法最大限度地发挥纤维的力学性能，加之相同面密度条件下树脂含量的提高会导致复合材料中纤维含量的降低，这都将导致复合材料防弹性能下降。树脂含量过低，则纤维与树脂间的界面性能较差，树脂无法更好地传递载荷，最终导致复合材料防弹性能下降。柴晓明等[53]研究发现，聚氨酯等热塑性树脂基复合材料的防弹性能随着树脂质量分数的增加呈先增加后减小的趋势，其中当树脂质量分数约为20% 时复合材料的防弹性能最佳。改变复合材料中的铺层顺序，在厚度方向实现混杂，也可大幅提高复合材料的防弹性能。秦溶蔓等[54]研究发现，以超高相对分子质量聚乙烯纤维增强环氧树脂基复合材料作为迎弹面，并与碳纤维增强环氧树脂基复合材料进行交替铺层，制得的层合板防弹性能最好。另外，面密度对材料的防弹性能也有影响。陈虹等[55]研究发现，当芳纶无纬布的单层面密度为210 g/m2时，防弹性能最佳。

5 防弹防刺面料的防刺性能

高性能纤维织物可以通过剪切增稠液(STF)整理、树脂浸渍整理、表面涂层整理等方式提高其防刺性能[56]。Sheng等[57]研究发现，在相同的冲击能量作用下，经单分散相聚苯乙烯微球组成的剪切增稠液整理的芳纶织物，其防刺性能高于未经整理的芳纶织物的防刺性能，且抗尖刺性能优于抗刀刺性能。

纤维种类、剪切增稠液分散相和介质、树脂的种类和含量、铺层角度、铺层顺序等因素都会对纤维增强复合材料的防刺性能产生影响。Cheon等[21]研究发现，与玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料、芳纶纤维增强环氧树脂基复合材料相比较，在厚度和面密度相同的条件下，碳纤维增强环氧树脂基复合材料的防刺性能最好。利用剪切增稠液整理的织物，其防刺性能不仅与剪切增稠液的分散相和介质类型有关，还与剪切增稠液的浓度有关。陆振乾等[58]研究发现，超高相对分子质量聚乙烯平纹织物经纳米二氧化硅颗粒分散的聚乙二醇剪切增稠液浸渍后，防刺性能得到提高，且剪切增稠液浓度越高，材料的防护性能越好。田明月等[59]109-116研究发现，以二氧化硅和碳纳米管为分散相、聚乙二醇为分散介质制备的多相剪切增稠液整理的织物的防刺性能，比以纳米二氧化硅为分散相、聚乙二醇为分散介质制备的单相剪切增稠液整理的织物的防刺性能更好。改变织物的铺层角度可以改变纱线与纤维间的空隙，改变纤维和纱线之间的摩擦力，进而影响复合材料的防刺性能。Zhang等[60]研究发现，用热塑性聚氨酯制备的涂层织物，当织物的铺层角度分别为0°/45°/0°和45°/0°/45°时，材料的防刺性能均优于织物的铺层角度为0°/0°/0°制备的涂层织物的防刺性能。

6 防弹防刺面料的防护机理

6.1 防弹机理

许多学者通过弹道冲击侵彻试验、有限元分析和数值模拟等方式，研究了复合材料的防弹机理。当纤维树脂基复合材料在受到子弹的侵彻时，迎弹面纤维会遭受剪切破坏，背弹面纤维会遭受拉伸破坏，并伴随着应力波的传播，复合材料会出现分层和背凸等现象。Bao等[20]研究发现，子弹对碳纤维增强塑料/芳纶复合材料层合板的破坏，开始是剪切破坏，然后过渡到拉伸破坏，并出现靶板分层和背凸的现象，弹丸的压缩和破坏锥的形成都导致了拉伸应变。Langston[61]研究发现，复合材料的拉伸应变和分层是吸能机制的主要表现，基体出现开裂较少。肖露等[62]通过弹道冲击侵彻试验发现，压缩和剪切作用是造成靶板迎弹面破坏的主要因素，纤维拉伸断裂和靶板分层是造成靶板背弹面破坏的主要因素。顾冰芳等[63]通过扫描电镜观察复合材料吸收弹体能量后断裂处的纤维形态发现，迎弹面处的纤维与树脂发生了脱黏，中间层断裂处纤维出现了拉伸变形和塑性流动等现象。肖文莹等[64]通过有限元模拟分析发现，弹体动能的一部分以冲击波的形式作用于靶板。进一步分析靶板的破坏形貌可知，子弹入射面处的纤维发生了剪切破坏，背弹面的纤维主要因拉伸达到极限而断裂。

6.2 防刺机理

防弹防刺面料接触刀具或锥体后会通过摩擦、变形及发热等方式吸收穿刺的能量[65]。穿刺方式可分为刀刺和锥刺两类。Sheng等[57]、田明月等[59]109-116和王丽娟等[66]研究发现，锥体在穿刺过程中容易使材料出现“开窗”效应，增大穿刺物与纱线间的摩擦可以提高织物的穿刺耗能，且此种情况下剪切破坏是织物的主要破坏方式。蔡普宁等[67]研究发现，刀具对织物的破坏主要以剪切破坏为主。梁高勇等[2]1-6研究发现，刀具刺入织物造成材料失效的主要原因是纱线产生了滑移、聚集和断裂。王新厚等[68]研究发现，以碳化硅颗粒涂覆涤纶机织物制备的柔性防刺复合材料，在穿刺的初始阶段，硬质SiC颗粒和摩擦作用会吸收大部分的穿刺能量，且随着穿刺的深入，材料表面会发生变形以进一步耗散穿刺能量。剪切力是造成表层织物破坏失效的主要因素，拉伸变形是造成背面织物失效的主要因素。Zhang等[69]研究发现，织物防针刺和防刀刺的作用机理是不同的，钉头与织物之间的作用力主要是摩擦力，刀头与织物之间的作用力主要是剪切力。

7 防弹防刺相关标准

7.1 防弹标准

防弹服的标准有很多。标准的不同使得防弹服在质量及防护性能等方面存在差异。常用的标准主要有美国的 NIJ Standard-0101.06BallisticResistanceofBodyArmor[70]和我国的GA 141—2010《警用防弹衣》[71]。

7.2 防刺标准

每个国家防刺服采用的标准也不同。我国采用的主要有美国的NIJ Standard-0115.00StabResistanceofPersonalBodyArmor和我国的GA 68—2019《警用防刺服》。其中，GA 68—2019标准将防刺服划分为A、B两个类型，测试时入刺能量皆为24 J，皆不允许穿透；而NIJ Standard-0115.00标准将防刺服分成3个级别，且每个级别都用到2种能量进行测试，都允许7 mm的穿透深度(该深度不会伤及内脏器官)，这也是我国与美国防刺服标准在测试方面主要的差别所在。中美防刺服标准的要求和操作程序对比具体可参考文献[72]。

8 结语

防弹防刺面料兼具防弹、防刺双重性能，现已受到广泛的关注。国内方面，防弹防刺面料的制备以机织物、UD布与树脂的结合，以及织物浸渍剪切增稠液等居多，目前还存在防弹性能和防刺性能难以兼顾、质量偏大等问题。未来可针对纤维的混杂、结构的复合，以及铺层的顺序和角度等进行设计和优化，深入研究防弹、防刺机理，促进防弹防刺面料性能的不断提高。