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防彈衣設計機理

防彈衣的防彈機理從根本說有兩個：

一是將彈體碎裂后形成的破片彈開；

二是通過防彈材料消釋彈頭的動能。

美國在二三十年代研制出的首批防彈衣是靠連在結實衣服內的搭接鋼板提供防護的。這種防彈衣以及后來類似的硬體防彈衣即是通過彈開彈頭或彈片，或者使彈碎裂以消耗分解其能量而起到防彈作用的。以高性能纖維為主要防彈材料的軟體防彈衣，其防彈機理則以后者為主，即利用以高強纖維為原料的織物“抓住”彈或彈片來達到防彈的目的。

彈擊中防彈衣時，首先與之發生作用的是硬質防彈材料如鋼板或增強陶瓷材料等。在這一瞬間的接觸過程中，彈和硬質防彈材料都有可能發生形變或斷裂，消耗了彈的大部分能量。高強纖維織物作為防彈衣的襯墊和第二道防線，吸收、擴散彈剩余部分的能量，并起到緩沖的作用，從而盡可能地降低了非貫穿性損傷。在這兩次防彈過程中，前一次發揮著主要的能量吸收作用，大大降低了射體的侵徹力，是防彈的關鍵所在。

影響防彈衣防彈效能的因素可從發生相互作用的射體（彈或彈片）和防彈材料兩個方面考慮。就射體而言，它的動能、形狀和材料是決定其侵徹力的重要因素。普通彈頭，尤其是鉛芯或普通鋼芯彈在接觸防彈材料后會發生變形。在這一過程中，彈被消耗了相當一部分動能，從而有效地降低了彈的穿透力，是彈能量吸收機理的一個重要方面。

而對于炸彈、手榴彈等爆炸時產生的彈片或彈形成的二次破片來說，情形就顯著不同了。這些彈片的形狀不規則，邊緣鋒利，質量輕，體積小，在擊中防彈材料尤其是軟體防彈材料后不變形。一般說來，這類碎片的速度也不高，但是量大而密集。軟體防彈衣對這類碎片能量吸收的關鍵在于：破片切割、拉伸防彈織物的紗線并使其斷裂，且使織物內部紗線之間和織物不同層面之間的相互作用，造成織物整體形變，在上述這些過程中碎片對外做功，從而消耗自身的能量。在上述兩種類型的身體能量吸收過程中，也有一小部分的能量通過摩擦（纖維/纖維、纖維/彈）轉化為熱能，通過撞擊轉化為聲能。

在防彈材料方面，為了滿足防彈衣要較大程度地吸收彈及其他射體動能的要求，防彈材料必須具有強度高、韌性好、吸能能力強的性能。用于防彈衣上，尤其是軟體防彈衣上的材料都以高性能纖維為主。這些高性能纖維以高強和高模為重要特征。一些高性能纖維如碳纖維或硼纖維等，雖具有很高的強度，但由于柔韌性不佳，斷裂功小，難以紡織加工，以及價格高等原因，基本上不適用于人體防彈衣。

具體說來，對防彈織物而言，其防彈作用主要取決于以下方面：纖維的拉伸強力、纖維的斷裂伸長和斷裂功、纖維的模量、纖維的取向度和應力波傳遞速度、纖維的細度、纖維的集合方式，單位面積的纖維重量，紗線的結構和表面特征，織物的組織結構，纖維網層的厚度，網層或織物層的層數等。用于抗沖擊的纖維材料，其性能取決于纖維的斷裂能及應力波傳遞的速度。應力波要求盡快擴散，而纖維在高速沖擊下的斷裂能應盡可能提高。材料的拉伸斷裂功是材料抵抗外力破壞所具有的能量，它是一個與拉伸強力和伸長變形相關的函數。

因此，從理論上說，拉伸強力越高，伸長變形能力也較強的材料，其吸收能量的潛力也越大。但在實踐中，用于防彈衣的材料不允許有過大的變形，所以用于防彈衣的纖維必然同時具有較高的抵抗變形的能力，即高模量。紗線的結構對防彈能力的影響是源于不同的紗線織物會造成單纖強力利用率和紗線整體伸長變形能力的差異。紗線的斷裂過程首先取決于纖維的斷裂過程，但由于它是一個集合體，因此在斷裂機理上又有很大的差別。纖維的細度細，則在紗中的相互抱合較為緊貼，同時受力也較為均勻，因而提高了成紗的強度。

除此之外，紗線中纖維排列的伸直平行度、內外層轉移次數、紗線捻度等都對紗線的機械性能尤其是拉伸強力、斷裂伸長等有重要的影響。另外，由于受彈擊過程中會產生紗線與紗線、紗線與彈體的相互作用，紗線的表面特征會對以上兩種作用產生或加強或削弱的效果。紗線表面油劑、水分的存在會降低彈或彈片穿透材料的阻力，因此人們往往要對材料施行清洗和干燥等處理，并尋求提高穿透阻力的辦法。

具有高拉伸強力和高模量的合成纖維通常是高度取向的，所以纖維表面光滑、摩擦系數低。這些纖維用在防彈織物中時，受彈擊后纖維間傳遞能量的能力差，應力波不能迅速擴散，由此也降低了織物阻擊彈的能力。普通的提高表面摩擦系數的方法如起絨、電暈整理等卻會降低纖維的強力，而采用織物涂層的方法則易造成纖維與纖維之間的“焊接”，結果使彈沖擊波在紗線橫向發生反射，使纖維過早斷裂。為了解決這一矛盾，人們想出了各種各樣的方法。

美國聯合信號（AlliedSignal）公司向市場推出一種空氣纏繞處理纖維，通過使纖維在紗線內部相互糾纏，從而增加彈與纖維的接觸。在美國專利5035111中推出了一種通過使用皮芯結構纖維提高紗線摩擦系數的方法。這種纖維的“芯”為高強纖維，“皮”則采用了一種強力稍低而具有較高摩擦系數的纖維，后者所占的比重為5%～25%。美國另一專利5255241所發明的方法與此相似，它是在高強纖維的表面涂覆一層薄薄的高摩擦系數聚合物，以提高織物抗金屬物穿透的能力。這一發明強調了涂層聚合物與高強纖維表面應有較強的粘附力，否則在受彈擊時剝落的涂層材料反而會在纖維之間起固體潤滑劑的作用，從而降低纖維表面摩擦系數。

除了纖維性質、紗線特征之外，影響防彈衣防彈能力的重要因素還有織物的組織結構。用于軟件防彈衣上的織物結構類型包括針織物、機織物、無緯布，針刺非織造氈等。針織物具有較高的延伸率，因而有利于提高服用舒適性。但這種高延伸率用于抗沖擊會產生很大的非貫穿性損傷。另外，由于針織物具有各向異性的特征，導致了在不同方向上具有不同程度的抗沖擊性。所以，盡管針織物在生產成本和生產效率方面具有優勢，但它一般只適用于制造防刺手套、擊劍服等，而不能完全用于防彈衣上。

在防彈衣中應用較為廣泛的是機織物、無緯布和針刺非織造氈。這三類織物由于其結構不同，各自的防彈機理也不盡相同，彈道學還無法給予充分的解釋。一般說來，彈擊中織物后，會在彈著點區域產生一個徑向的振動波，并通過紗線高速擴散。當振動波到達紗線的交織點時，一部分波將沿著原先的紗線傳到交織點的另一邊，另一部分轉移到與之交織的紗線內部，還有一部分沿著原先的紗線反射回去，形成反射波。

在上述三種織物中，機織物的交織點最多，受彈擊后，彈的動能可通過交織點上紗線的相互作用得以傳遞，從而使彈或彈片的沖擊力能在較大區域內吸收。但與此同時，交織點在無形中又起了固定端的作用。在固定末端所形成的反射波與原來的入射波會產生同向疊加，使紗線受到的拉伸作用大大增強，在超過其斷裂強度后斷裂。另外，一些小的彈片還有可能將機織物中的單根紗線推開，從而降低了彈片穿透阻力。在一定范圍內，如果提高織物密度，可以減少上述情形出現的可能，并提高機織物的強度，但卻會增強應力波反射疊加的負效應。

從理論上講，要獲取較好的抗沖擊性能是采用單向的、沒有交織點的材料。這也正是“Shield”技術的出發點。“Shield”技術即“單向排列”技術，是美國聯合信號公司于1988年推出并取得了專利的一種生產高性能非織造防彈復合材料的方法。這一專利技術的使用權也授予了荷蘭DSM公司。運用這一技術制成的織物即為無緯布。無緯布是將纖維單向平行排列并用熱塑性樹脂粘結，同時將纖維進行層間交叉，并以熱塑性樹脂壓制而成。彈或彈片的大部分能量是通過使沖擊點或沖擊點附近的纖維伸長斷裂而被吸收的。“Shield”織物可較大程度地保持纖維原有的強度，并迅速使能量分散到較大的范圍上去，加工工序也較為簡單。

單層的無緯布疊合后可作為軟體防彈衣的主干結構，多層壓制則可成為用于防彈加強插板等硬質防彈材料。如果說在上述兩類織物中，大部分彈體能量是在沖擊點或沖擊點附近的纖維處，通過過度拉伸或刺穿使纖維斷裂而被吸收的，那么對以針刺非織造氈為結構的織物的防彈機理則無法解釋。因為實驗已表明，在針刺非織造氈中幾乎不發生纖維的斷裂。針刺非織造氈由大量短纖構成，不存在交織點，幾乎沒有應變波的固定點反射。其防彈效果取決于彈沖擊能在氈中的擴散速度。

人們觀察到，在被彈片擊中以后，在碎片模擬彈（FSP）的頂端有一卷纖維狀物質。于是預測，彈體或彈片在彈擊初始階段即變鈍，從而使其難以穿透織物。許多研究資料都指出，纖維的模量和氈的密度是影響整個織物防彈效果的主要因素。針刺非織造氈主要用于以防彈片為主的防彈衣中。

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