超能性纤维一防弹衣 姓名:刘悦学号:16307130318 摘要 防弹衣是现代反恐等特种作战不可或缺的装备,发挥着保护个体生命安全、 维护部队士气与战斗力、保障行动成功等至关重要的作用。本文对软质和液体防 弹衣技术原理,性能等进行了全面的分析,介绍了一种可显著提升软质防弹衣防 护性能的新型技术STF,简述了STF的组成、特性、防护原理,深入剖析了其防 护应用优势和性能影响因素,并对其在防护装备中的应用研究进行了展望。 关键词 软质防弹衣,液体防弹衣,芳纶纤维,聚乙烯纤维,STF技术(剪切增稠液体) 正文 刊言 以生物学为理论基础和研究依据的生物技术是一门既古老又新兴的综合性 学科。它以生命科学为基础,结合运用其他基础科学的科学原理,采用先进的科 学技术手段,研究生物生存生长方式并利用微生物、动植物体,按照预先设计对 相关物质或原料进行改造加工,为人类创造出适应环境变化、社会发展所需要的 新产品或实现某种针对性强的研发目标。本篇文章将对利用生物技术原理的防弹 衣进行研究和讨论。 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
超能性纤维—防弹衣 姓名：刘悦 学号：16307130318 摘要： 防弹衣是现代反恐等特种作战不可或缺的装备，发挥着保护个体生命安全、 维护部队士气与战斗力、保障行动成功等至关重要的作用。本文对软质和液体防 弹衣技术原理，性能等进行了全面的分析，介绍了一种可显著提升软质防弹衣防 护性能的新型技术 STF，简述了 STF 的组成、特性、防护原理，深入剖析了其防 护应用优势和性能影响因素，并对其在防护装备中的应用研究进行了展望。 关键词： 软质防弹衣，液体防弹衣，芳纶纤维，聚乙烯纤维，STF 技术（剪切增稠液体） 正文 前言 以生物学为理论基础和研究依据的生物技术是一门既古老又新兴的综合性 学科。它以生命科学为基础，结合运用其他基础科学的科学原理，采用先进的科 学技术手段，研究生物生存生长方式并利用微生物、动植物体，按照预先设计对 相关物质或原料进行改造加工，为人类创造出适应环境变化、社会发展所需要的 新产品或实现某种针对性强的研发目标。本篇文章将对利用生物技术原理的防弹 衣进行研究和讨论。 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。 总体来说,防弹衣的发展大致经历的三个阶段:硬质材料.软质材料以及软 硬复合材料。硬质材料是以特种钢板、超强铝合金等金属材料或者氧化铝、碳化 矽等硬质非金属材料为主体防弹材料,由此制成的防弹衣一般不具备柔软性,由 于过于沉重,穿著后行动不便,步兵实际无法使用。本文主要讨论的是软质防弹 衣和液体防弹衣(STF技术)。 软质防弹衣 (一)设计要求 防弹衣是吸收和耗散弹头、碎片的动能,阻止穿透,有效保护人体受防护部 位的一种特种服装,主要由防弹芯片、外套组成,有时还有减震缓冲层和为增加 防护等级的防弹硬插板。人们对防弹衣的要求是既要有很高的防御能力,又要质 地越轻越柔软越好。因此,防弹衣的研制主要有以下几个方面的要求: (1)材料为轻质、软质 (2)防内伤效果好 (3)防护面积大 (4)防水、防紫外线,不受严寒、酷暑影响,全天候使用 (5)防护等级多样化。 (二)技术原理(以芳纶纤维为例) 凡聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成,且其中至少85%的酰胺 基直接键合在芳香环上,每个重复单元的酰胺基中的N原子和羰基均直接与芳 香环中C原子相连接并置换其中的一个H原子的聚合物纤维称为芳香族聚酰胺 纤维,我国定名为芳纶纤维。芳纶纤维包括全芳香族聚酰胺纤维和杂环芳香族 聚酰胺纤维两大类。而全芳香族聚酰胺纤维中已经实现工业化的纤维,主要是对 位芳纶和间位芳纶,这两大类芳纶的主要区别是,酰胺键与苯环上的C原子 相连接的位置不同(如图1)。杂环芳香族纤维是指含有N,O,S等杂原子 的二胺和二酰氯缩聚而成的纤维,如有序结构的杂环聚酰胺纤维等
型防弹衣。 总体来说，防弹衣的发展大致经历的三个阶段：硬质材料．软质材料以及软 硬复合材料。硬质材料是以特种钢板、超强铝合金等金属材料或者氧化铝、碳化 矽等硬质非金属材料为主体防弹材料，由此制成的防弹衣一般不具备柔软性，由 于过于沉重，穿著后行动不便，步兵实际无法使用。本文主要讨论的是软质防弹 衣和液体防弹衣（STF 技术）。 软质防弹衣 (一) 设计要求 防弹衣是吸收和耗散弹头、碎片的动能，阻止穿透，有效保护人体受防护部 位的一种特种服装，主要由防弹芯片、外套组成，有时还有减震缓冲层和为增加 防护等级的防弹硬插板。人们对防弹衣的要求是既要有很高的防御能力，又要质 地越轻越柔软越好。因此，防弹衣的研制主要有以下几个方面的要求： (1)材料为轻质、软质； (2)防内伤效果好； (3)防护面积大； (4)防水、防紫外线，不受严寒、酷暑影响，全天候使用； (5)防护等级多样化。 (二) 技术原理（以芳纶纤维为例） 凡聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成， 且其中至少８５％的酰胺 基直接键合在芳香环上，每个重复单元的酰胺基中的Ｎ 原子和羰基均直接与芳 香环中Ｃ原子相连接并置换其中的一个Ｈ 原子的聚合物纤维称为芳香族聚酰胺 纤维， 我国定名为芳纶纤维。芳纶纤维包括全芳香族聚酰胺纤维和杂环芳香族 聚酰胺纤维两大类。而全芳香族聚酰胺纤维中已经实现工业化的纤维，主要是对 位芳纶和间位芳纶， 这两大类芳纶的主要区别是， 酰胺键与苯环上的Ｃ 原子 相连接的位置不同（如图１）。杂环芳香族纤维是指含有Ｎ， Ｏ， Ｓ 等杂原子 的二胺和二酰氯缩聚而成的纤维， 如有序结构的杂环聚酰胺纤维等
NH-CO CO PMTA NH-CO PPTA 图1芳纶分子式 Fig. 1 Molecular formular of aramia 芳纶纤维具有超髙强度、髙模量、耐髙温、耐酸碱、质量轻等优良性能,其中 比强度是钢的5~6倍,模量是钢丝和玻璃纤维的2^3倍,韧性是钢丝的2倍, 而密度仅为钢丝的1/5左右。芳纶是综合性能优良、产量最大、应用最广的高性 能纤维,在高性能纤维中占有重要的地位,在国防,航空航天,汽车减重节 能减排,新能源开发等各方面具有不可替代的作用 (三)典型结构 通过以上分析,要有效阻止弹头的穿透,防弹防护品的结构应体现以下特点: (1)减速阻挡层,应能使;中击弹丸迅速变形,并使速度大大降低 (2)变形阻挡层,以“拉网”效应使变形的弹丸停止前:中 (3)减伤缓冲保护层,缓冲整体冲击,降低非贯穿性损伤。 防弹衣典型结构简易图示见下图。 子入刚方词 速阳1层 一,变形挡层 一一碳伤层 密一冲是 图2防弹衣典型结构示意图 (四)软质防弹材料分析 当芳纶纤维无纺布在迎弹面时,防弹效果较好。这是因为高速运动的子弹击 中防弹材料时,与材料摩擦会产生大量的热。芳纶纤维无纺布有较髙的耐温性 而聚乙烯纤维无纺布耐温性差,因此根据两种材料的特性,通常用价格较低的聚 乙烯纤维无纺布替代部分芳纶纤维无纺布,将其放在迎弹面,后面是聚乙烯纤维
芳纶纤维具有超高强度、高模量、耐高温、耐酸碱、质量轻等优良性能， 其中 比强度是钢的 5~6 倍，模量是钢丝和玻璃纤维的 2~3 倍， 韧性是钢丝的 2 倍， 而密度仅为钢丝的 1/5 左右。芳纶是综合性能优良、产量最大、应用最广的高性 能纤维， 在高性能纤维中占有重要的地位， 在国防， 航空航天， 汽车减重节 能减排，新能源开发等各方面具有不可替代的作用。 (三) 典型结构 通过以上分析，要有效阻止弹头的穿透，防弹防护品的结构应体现以下特点： (1)减速阻挡层，应能使；中击弹丸迅速变形，并使速度大大降低； (2)变形阻挡层，以“拉网”效应使变形的弹丸停止前；中； (3)减伤缓冲保护层，缓冲整体冲击，降低非贯穿性损伤。 防弹衣典型结构简易图示见下图。 (四) 软质防弹材料分析 当芳纶纤维无纺布在迎弹面时，防弹效果较好。这是因为高速运动的子弹击 中防弹材料时，与材料摩擦会产生大量的热。芳纶纤维无纺布有较高的耐温性， 而聚乙烯纤维无纺布耐温性差，因此根据两种材料的特性，通常用价格较低的聚 乙烯纤维无纺布替代部分芳纶纤维无纺布，将其放在迎弹面，后面是聚乙烯纤维
无纺布,这样的混搭结合使两种材料均发挥了各自的性能长处,又相互弥补了不 足,因而具有很好的防弹效果,还降低了防弹衣的成本 软质防弹材料性能的好坏直接影响防弹衣产品的质量,因此,要对材料进行 多个方面的考察。除了稳定性外,还要对材料的安全性能进行评估。不同的材料, 其纤维种类、粘接剂、克重等也不一致,考虑到防弹材料厚度或密度的影响,科 学的方法是以材料比吸能值(SEA)即单位面积质量的防弹材料吸收动能弹体的动 能值来评价材料。比吸收能越髙的防弹材料具有越高的防弹能力,或在相同防弹 能力下,防弹衣的重量可以减轻。 (五)结语 1.软质防弹衣只有将减速阻挡层、变形阻挡层和缓;中阻挡层三部分有机结 合起来才能降低非贯穿性损伤,减小弹痕深度。 2.采用缝合、添加树脂基体、增加减震层等技术手段制作的防弹层,可明显 降低非贯穿性损伤。 3.芳纶纤维无纺布与超高分子量聚乙烯纤维无纺布混搭作为防弹芯片结构时, 芳纶纤维无纺布材料由于耐高温,通常放在迎弹面,而聚乙烯纤维无纺布由于熔 点低、耐温性能差,一般放在芳纶纤维无纺布的后面 4.将芳纶纤维无纺布及超高分子量聚乙烯纤维无纬布结合起来作为防弹材料, 不仅提高了防弹性能,也可降低防弹衣成本 5.与进口的芳纶无纬布相比,国产材料的防弹性能稳定性相对要差一些,但 是价格相对便宜 6.比较材料防弹性能的科学方法是比较材料的比吸能值(SEA),同时还要考虑 材料的稳定性。 液体防弹衣 (一)前言 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。近年来,出现了一种新型液态性织物处理技术STF( Shear Thickening Fluid),通过STF核心成分剪切增稠液体与高性能纤维材料的有机 结合,有效缓解调和这一矛盾,克服现有防弹衣的缺点和不足。实现人体自由活 动与碰撞打击保护的最优结合。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,同时对液体防弹衣技术进行评价。 二)技术原理(STF技术) STF是指流体呈浓缩的胶质悬浮液状态,其粘性随着剪切应力的增加而増加,有
无纺布，这样的混搭结合使两种材料均发挥了各自的性能长处，又相互弥补了不 足，因而具有很好的防弹效果，还降低了防弹衣的成本。 软质防弹材料性能的好坏直接影响防弹衣产品的质量，因此，要对材料进行 多个方面的考察。除了稳定性外，还要对材料的安全性能进行评估。不同的材料， 其纤维种类、粘接剂、克重等也不一致，考虑到防弹材料厚度或密度的影响，科 学的方法是以材料比吸能值(SEA)即单位面积质量的防弹材料吸收动能弹体的动 能值来评价材料。比吸收能越高的防弹材料具有越高的防弹能力，或在相同防弹 能力下，防弹衣的重量可以减轻。 (五) 结语 1．软质防弹衣只有将减速阻挡层、变形阻挡层和缓；中阻挡层三部分有机结 合起来才能降低非贯穿性损伤，减小弹痕深度。 2．采用缝合、添加树脂基体、增加减震层等技术手段制作的防弹层，可明显 降低非贯穿性损伤。 3．芳纶纤维无纺布与超高分子量聚乙烯纤维无纺布混搭作为防弹芯片结构时， 芳纶纤维无纺布材料由于耐高温，通常放在迎弹面，而聚乙烯纤维无纺布由于熔 点低、耐温性能差，一般放在芳纶纤维无纺布的后面。 4.将芳纶纤维无纺布及超高分子量聚乙烯纤维无纬布结合起来作为防弹材料， 不仅提高了防弹性能，也可降低防弹衣成本。 5．与进口的芳纶无纬布相比，国产材料的防弹性能稳定性相对要差一些，但 是价格相对便宜。 6．比较材料防弹性能的科学方法是比较材料的比吸能值(SEA)，同时还要考虑 材料的稳定性。 液体防弹衣 （一） 前言 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。近年来，出现了一种新型液态性织物处理技术 STF(Shear Thickening Fluid)，通过 STF 核心成分剪切增稠液体与高性能纤维材料的有机 结合，有效缓解调和这一矛盾，克服现有防弹衣的缺点和不足。实现人体自由活 动与碰撞打击保护的最优结合。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，同时对液体防弹衣技术进行评价。 （二） 技术原理（STF 技术） STF 是指流体呈浓缩的胶质悬浮液状态，其粘性随着剪切应力的增加而增加，有
时是不连续的増加,且过程是可逆的。具有这种现象的流体称为剪切增稠液体, 一般由分散相粒子和分散介质组成。其中分散相粒子可以是天然存在的矿物质 也可以是化学合成的聚合物],如下图所示。粒子的形状包括球体、椭圆体、圆 盘状和粘土颗粒,它们可以通过电荷作用、布朗运动、吸收表面活性剂、接枝聚 合物形成聚合电解质等方式稳定地分散在溶液中。其分散包括单分散、双分散或 多分散,分散介质可以是水、盐溶液、有机物、矿物油等,也可以是加有表面活 性剂和低聚物的几种互溶溶剂的复配体。 体誉纪拌 含均打 切过稠分切曰减 剪切增稠液体在髙速冲击下,表观粘度发生巨大变化,甚至由液相转变成固 相,会呈现出固体的抗冲击性能,中击力消除之后,又迅速从固相转变成液相, 这种剪切増稠效应是一种非牛顿流体行为,其变化是可逆的。对于剪切增稠的微 观机理,目前主要有两种说法:一是ODT机理(有序到无序),即体系受到较小外 力作用时,粒子的有序程度得到了提高,出现剪切变稀行为,而当外力更大时, 有序结构被破坏,则会出现剪切增稠现象:二是“粒子簇”理论,即剪切变稀是 由于连续的空间网络结构被破坏,而剪切增稠是由于体系中形成“粒子簇”,体 系粘度增大,从而出现了增稠现象,如下图所示。 剪切增稠液体 构子处于平衡状态 构子处干增树状态 (三)制作过程 剪切増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
时是不连续的增加，且过程是可逆的。具有这种现象的流体称为剪切增稠液体， —般由分散相粒子和分散介质组成。其中分散相粒子可以是天然存在的矿物质， 也可以是化学合成的聚合物]，如下图所示。粒子的形状包括球体、椭圆体、圆 盘状和粘土颗粒，它们可以通过电荷作用、布朗运动、吸收表面活性剂、接枝聚 合物形成聚合电解质等方式稳定地分散在溶液中。其分散包括单分散、双分散或 多分散，分散介质可以是水、盐溶液、有机物、矿物油等，也可以是加有表面活 性剂和低聚物的几种互溶溶剂的复配体。 剪切增稠液体在高速冲击下，表观粘度发生巨大变化，甚至由液相转变成固 相，会呈现出固体的抗冲击性能，中击力消除之后，又迅速从固相转变成液相， 这种剪切增稠效应是一种非牛顿流体行为，其变化是可逆的。对于剪切增稠的微 观机理，目前主要有两种说法：一是 ODT 机理(有序到无序)，即体系受到较小外 力作用时，粒子的有序程度得到了提高，出现剪切变稀行为，而当外力更大时， 有序结构被破坏，则会出现剪切增稠现象；二是“粒子簇”理论，即剪切变稀是 由于连续的空间网络结构被破坏，而剪切增稠是由于体系中形成“粒子簇”，体 系粘度增大，从而出现了增稠现象，如下图所示。 （三） 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