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全球软质防弹材料--防弹纤维有哪些?

发表日期:2023-06-09 点击击数:682
防弹材料的种类,分为软质和硬质。硬质的防弹材料最基本常见的就是钢铁,例如装甲车的装甲,防弹背心里的钢制插板。硬质防弹材料靠自身的强度硬抗枪弹,只要强度和厚度达标,所有的枪弹都能挡住。

软质材料就有很多,如大名鼎鼎的凯芙拉,PE(迪尼玛)等。这些软质的防弹材料也叫防弹纤维。它们都是做成高强度的纤维按一定的排列方式编织成布,然后根据防护的等级,将一定层数的布放合在一起打包便做成防弹层。软质的防弹材料主要是通过弹头撞击后弹头变形,接触更大量的纤维,纤维拉伸变形断裂来化解弹头能量,最终使它停在纤维层中,无法进行穿透。


最常见的防弹纤维


1.芳纶纤维

芳纶,学名“芳族聚酰胺纤维”,是一种高功能纤维。按照我国纺织品命名惯例,简称为芳纶。芳纶分间位芳纶(代表:杜邦™ Nomex® 诺迈柯斯®)和对位芳纶(代表:杜邦™ Kevlar® 凯芙拉®)。一般防护应用产品都是以对位芳纶(Para-Aramid)为主。  

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。

我们平常看到的“凯芙拉”防弹衣,就是指采用芳纶编织片层叠封装的软质护甲。而防弹盔,则是利用树脂胶粘合压模定型生产出来的防弹头盔。因为芳纶质地柔软,密度相对小,适合做成可穿戴的护甲,提供尽可能大的防护面积又尽可能保重人体的活动性能。



在特种陶瓷兴起之前,芳纶一直是单兵(单警)防护的中间力量。而同时因为芳纶难切割这个特点,其产品又自带了防切割(非穿刺)属性,非常适合做成警用护具维护治安使用。实际上工业上早就有利用凯芙拉制作的防护手套,耐热防切割,保护双手。图片

当然不是说芳纶一点缺陷都没有。芳纶本身有使用寿命,需要定期更换。而且对紫外线和潮湿比较敏感,过度暴露容易造成性能下降。而且因为芳纶的纤维特性使得其制备和相应加工处理难度大大提升,直接制约了其成品的良品率和生产加工成本。


2. 超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯纤维,它与碳纤维、芳纶纤维并称为世界三大高科技纤维,鉴于其质轻、高强、比能量吸收高等特点,已逐步取代芳纶纤维,成为个体防弹领域的首选纤维。

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE纤维)是指分子量超过100万的聚乙烯纤维。UHMWPE的分子结构简单、高度有序、无支链,且分子链不含极性官能团,拉伸后结构极其致密,使得材料具有轻质、高强、柔韧性好,化学稳定性好等优点。

UHMWPE纤维的比强度是同等截面钢丝的十多倍,是碳纤维和芳纶1414的3倍有余,且UHMWPE纤维比冲击吸收能量大,分别是碳纤维、芳纶和一般玻纤复合材料的1.8、2.6和3倍,防弹能力比芳纶装甲结构高2.6倍,是目前制造防弹衣的主要材料。



UHMWPE纤维是世界范围内的稀缺物质,目前产能缺口较大。市场需求方面,未来几年UHMWPE纤维的需求量级在10万吨/年以上,市场潜力巨大。UHMWPE纤维也是我国技术创新和国家发展重点的材料之一。我国规模化生产日益成熟,但仍存在生产成本高、技术创新能力弱等问题,产品应用范围局限于传统的安全防护及绳缆行业,急需培育和开发新应用领域,以提升产品的国际市场竞争力。

据Grand View Research的统计及预测数据显示,2019年全球UHMWPE纤维市场规模为7.611亿美元,预计到2027年将增长至14.067亿美元,2020-2027年的复合年增长率为8.6%。

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE纤维)的出现让市场的材料应用方面更加多样化,另外相比于芳纶,超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE纤维)分子链中只含C、H,回收产物对环境相对友好。


3. PBO纤维

PBO纤维(Poly-p-phenylenebenzobisthiazole)是聚对苯撑苯并双口恶唑纤维的简称,是20世纪80年代美国为发展航天航空事业而开发的复合材料用增强材料,是含有杂环芳香族的聚酰胺家族中最有发展前途的一个成员,被誉为21世纪超级纤维。



PBO作为21世纪超性能纤维,具有十分优异的物理机械性能和化学性能,其强力、模量为Kevlar(凯芙拉)纤维的2倍并兼有间位芳纶耐热阻燃的性能,而且物理化学性能完全超过迄今在高性能纤维领域处于领先地位的Kevlar纤维。一根直径为1毫米的PBO细丝可吊起450千克的重量,其强度是钢丝纤维的10倍以上。

据东洋纺报道,其高端PBO纤维产品的强度为5.8GPa(德国有报道为5.2GPa),模量180GPa,在现有的化学纤维中最高;耐热温度达到600℃,极限氧指数68,在火焰中不燃烧、不收缩,耐热性和难燃性高于其它任何一种有机纤维,主要用于耐热产业纺织品和纤维增强材料。

以往的有机纤维耐热性不够(多在400℃以下),从而限制了有机纤维的应用发展,而PBO纤维分解温度达到650℃,是所有有机纤维中耐热温度最高的。因此,对以前难以使用有机纤维在350℃以上的应用领域,用PB0纤维取而代之是完全可能的,并使PB0纤维耐热材料的应用得以拓宽与发展。 

有国外研究表明:在其他领域如电绝缘材料、卫星探测、轻质材料、汽车工业和深海油田开发等方面,PBO纤维还有很多的用武之地。PBO纤维作为高速列车车体不仅可减轻车身质量,还可以使车身强度增加;利用PBO纤维耐化学腐蚀性,可制成各种耐腐蚀防护服;在宇航方面为减轻有限的负担,PBO纤维适合于做宇宙空间使用的扣子、带子等;在从-10℃到地表温度460℃这样范围的宇宙空间环境下,它还可用作耐热性探测气球的材料;在体育竞技赛艇用帆方面主要用高强高模纤维制成的片状薄板式材料制作,为使帆布在受到风吹时具有最小限度的变形程度,就必须寻求模量最高的PBO纤维来制作赛艇用帆;鉴于PBO纤维优良的力学性能,它也是制造高尔夫球杆、网球拍、滑雪杖、滑雪板、冲浪板、射箭弓弦、自行车赛车最好的材料。

PBO纤维关键技术研发与产业化发展,可以使我国PBO纤维摆脱长期受制于国外技术垄断与控制的困境,走上一条自主创新、前景光明、应用广阔的PBO纤维国产化、规模化发展之路,有助于我国航天航空、国防军工及民用工业等高性能PBO材料的开发应用与可持续发展。


4. 其他防弹纤维

  • 弹道尼龙



是一种又粗又硬难以染色的合成尼龙纤维。弹道尼龙始于二战,也可以算是历史悠久了。其最初确实是作为防弹材料开发的,主要是为了制作一种战斗机飞行员和轰炸机机组可以穿的破片防护服。后来的朝鲜战场和越战中,弹道尼龙也是主要的防护材料,比如M-69防破片护甲和M-1955防破片护甲。弹道尼龙产品的防护原理还是纤维网横向扩散分力。

今天的弹道尼龙已经彻底被后来居上的芳纶和PE挤出了弹道防护市场,但是依然是箱包、摩托车服、皮划艇等耐磨产品的常见材料。也有一些复古包具采用这种材料。

  • 玻璃纤维

玻璃纤维就是网线里的玻璃纤维,只不过玻璃纤维的应用形式是板材,类似胶合板。玻璃纤维也是早年应用的防弹插板材料,比如陆战队的M-1955就应用了陶氏化学的DORON玻璃纤维板材。


防弹玻璃纤维产品是由玻璃纤维混合热固合成树脂压模形成的。不同的厚度决定了不同的防弹能力。


防弹玻璃纤维板的应用主要在商业领域,主要是用作家庭安全屋、防弹车辆、以及特需场所防护制作。

相对于其他高科技防弹产品,防弹玻璃纤维最大的特色是重量轻、价格便宜关键是施工方便,可定制程度高。防弹玻璃纤维板材可以做的非常大,满足各种尺寸;而且轻松切割,填充到任何需要的缝隙、拐角、橱柜、装饰物内;还可以做到正常装修。只要有空间,弹道玻璃纤维可以做到任何你想要的防护等级(UL752标准)。

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