防弹背心的历史

从根本上说，防弹衣的防弹机制有两种:一种是弹开弹体碎裂形成的碎片；二是通过防弹材料释放弹头的动能。美国在20世纪20年代和30年代开发的第一件防弹背心是由附着在坚固衣服上的重叠钢板保护的。这种防弹衣和后来类似的硬质防弹衣都是通过弹开子弹或弹片，或者打碎子弹消耗其能量来起到防弹的作用。以高性能纤维为主要防弹材料的软体防弹衣的防弹机理主要是后者，即利用高强度纤维为原料的织物来“捕捉”子弹或弹片，以达到防弹的目的。研究表明，软质防弹衣吸收能量的方式有五种:(1)织物变形，包括子弹入射方向的变形和入射点附近的拉伸变形；(2)织物破坏:包括纤维原纤化、纤维断裂、纱线结构解体、织物结构解体；(3)热能:能量通过摩擦以热能的形式耗散；(4)声能:子弹撞击防弹层后发出的声音所消耗的能量；(5)抛射体的变形。为提高其防弹能力而研制的软硬复合防弹衣的防弹机理可以用“软硬兼施”来概括。子弹打在防弹衣上，首先影响它的是钢板或增强陶瓷材料等硬质防弹材料。在这一瞬间的接触过程中，子弹和坚硬的防弹材料都有可能发生变形或断裂，消耗了子弹的大部分能量。高强度纤维织物作为防弹背心的缓冲垫和第二道防线，吸收和扩散子弹剩余的能量，起到缓冲作用，从而尽可能减少非穿透性损伤。在这两种防弹过程中，前者起着主要的吸能作用，大大降低了弹丸的穿透力，是防弹的关键。影响防弹衣防弹效率的因素可以从弹丸(子弹或弹片)和相互作用的防弹材料两个方面来考虑。就弹丸而言，其动能、形状和材料是决定其侵彻的重要因素。普通弹头，尤其是铅芯或普通钢芯子弹，接触防弹材料后会变形。在这个过程中，子弹消耗了相当一部分动能，从而有效降低了子弹的穿透力，这是子弹能量吸收机制的一个重要方面。但对于炸弹、手榴弹等爆炸产生的弹片或子弹形成的二次碎片，情况就明显不同了。这些弹片形状不规则，边缘锋利，重量轻，体积小，撞击防弹材料尤其是软质防弹材料后不变形。一般来说，这种碎片的速度不高，但体积大，密度大。软质防弹衣吸收这类碎片能量的关键在于:碎片切割、拉伸、断裂防弹织物的纱线，引起织物内部纱线之间、织物不同层间的相互作用，导致织物整体变形。在这些过程中，碎片对外做功，从而消耗自身能量。在上述两类人体能量吸收过程中，也有一小部分能量通过摩擦(纤维/纤维、纤维/子弹)转化为热能，通过撞击转化为声能。在防弹材料方面，为了满足防弹衣最大限度地吸收子弹等抛射体动能的要求，防弹材料必须具有高强度、良好的韧性和较强的吸能能力。目前防弹衣尤其是柔软防弹衣使用的材料主要是高性能纤维。这些高性能纤维的特点是高强度和高模量。一些高性能纤维，如碳纤维或硼纤维，强度较高，但由于柔韧性差、断裂功小、纺织加工困难、价格高等原因，基本不适合用于人体装甲。具体来说，防弹织物的防弹效果主要取决于以下几个方面:纤维的拉伸强度、断裂伸长率和功、纤维的模量、纤维的取向和应力波传播速度、纤维的细度、纤维的组装方式、单位面积纤维重量、纱线的结构和表面特性、织物的组织结构、纤维网层的厚度、网层或织物层数等。用于抗冲击的纤维材料的性能取决于纤维的断裂能和应力波传播的速度。应力波需要尽快扩散，纤维在高速冲击下的断裂能要尽可能提高。材料的拉伸断裂功是材料抵抗外部损伤所具有的能量，是与抗拉强度和伸长变形有关的函数。所以理论上抗拉强度越高，伸长变形能力越强，吸能潜力越大。但在实际应用中，防弹衣所用的材料是不允许变形过大的，所以防弹衣所用的纤维必须具有高的抗变形能力，即高模量。纱线结构对防弹能力的影响是由于纱线织物不同造成的单纤维强力利用率和纱线整体伸长变形能力的差异。纱线的断裂过程首先取决于纤维的断裂过程，但由于是聚集体，所以断裂机理有很大差异。纤维越细，在纱线中的相互距离越近，受力越均匀，从而提高纱线的强度。此外，纱线中纤维排列的平直度和平行度，内外层转移次数，纱线捻度等。所有这些都对纱线的机械性能有重要影响，尤其是拉伸强度和断裂伸长率。另外，由于纱线与纱线、纱线与弹性体之间的相互作用，纱线的表面特性会产生或加强或削弱上述两种效果。纱线表面油脂和水分的存在会降低子弹或弹片穿透材料的阻力，因此人们往往需要对材料进行清洗和干燥，寻求提高抗穿透性的方法。高抗拉强度和高模量的合成纤维通常是高度取向的，因此纤维表面光滑，摩擦系数低。这些纤维用于防弹织物时，被子弹击中后纤维间能量传递的能力较差，应力波无法快速传播，也降低了织物阻挡子弹的能力。普通的提高表面摩擦系数的方法，如拉毛、电晕整理等，会降低纤维的强度，而织物涂层的方法，容易导致纤维之间的“熔接”，造成子弹冲击波在纱线横向的反射，使纤维过早断裂。为了解决这个矛盾，人们想出了各种方法。美国联信公司向市场推出了一种空气缠绕纤维，通过纱线内部的纤维缠绕，增加了子弹与纤维的接触。在美国专利5035111中，介绍了一种利用皮芯结构纤维提高纱线摩擦系数的方法。这种纤维的“芯”是高强度纤维，“皮”是强度略低、摩擦系数较高的纤维，后者占5% ~ 25%。另一项美国专利5255241发明了类似的方法，即在高强度纤维表面涂覆一层薄薄的高摩擦聚合物，以提高织物对金属穿透的抵抗力。本发明强调涂层聚合物应与高强度纤维表面具有强粘附力，否则在冲击过程中剥离的涂层材料将作为纤维间的固体润滑剂，从而降低纤维表面的摩擦系数。除了纤维性能和纱线特性，织物结构也是影响防弹衣防弹能力的重要因素。软件防弹衣使用的面料结构类型有针织面料、机织面料、无纬面料、针刺非织造布等。针织面料伸长率高，有利于提高穿着舒适性。然而，当用于抗冲击时，这种高伸长率会导致很大的非穿透损伤。此外，由于针织面料的各向异性特性，在不同方向上具有不同程度的抗冲击性能。所以针织面料虽然在生产成本和生产效率上有优势，但一般只适合制作防刺手套、击剑服等。，并不能完全用在防弹衣上。目前，防弹衣广泛采用机织物、无纬织物和针刺非织造布。由于结构不同，这三种面料的防弹机理也不同，弹道学目前无法给出充分的解释。一般来说，子弹击中织物后，会在弹着点区域产生径向振动波，并以高速通过纱线传播。当振动波到达纱线的交织点时，一部分波会沿着原纱传到交织点的另一侧，另一部分会传到与之交织的纱线中，另一部分会沿着原纱反射回来，形成反射波。以上三种面料中，机织物的交织点最多。被子弹击中后，子弹的动能可以通过交织点处纱线的相互作用进行转移，从而可以在更大的面积上吸收子弹或弹片的冲击力。但同时交织点无形中起到了固定端的作用。在固定端形成的反射波和原来的入射波会同方向叠加，使纱线的张力大大增强，超过其断裂强度后断裂。此外，一些小弹片可能会推开机织物中的单根纱线，从而降低弹片的抗侵彻能力。在一定范围内，如果增加织物密度，可以降低出现上述情况的可能性，提高机织物的强度，但会增强应力波反射叠加的负面效应。理论上，要获得最好的抗冲击性能，就是使用没有交织点的单向材料。这也是“盾”技术的出发点。“屏蔽”技术，即“单向排列”技术，是一种生产高性能非织造防弹复合材料的方法，由美国联合信号公司于1988引进并获得专利。这项专利技术的使用权也被授予了荷兰的DSM公司。用这种技术制成的织物是无纬织物。无纬布是将纤维沿一个方向平行排列并用热塑性树脂粘合，同时将纤维在层间交叉并用热塑性树脂压制而成。子弹或弹片的大部分能量都是通过在弹着点或弹着点附近拉伸和断裂纤维来吸收的。“屏蔽”织物能最大程度地保持纤维原有的强度，并迅速将能量分散到更大的范围，加工程序也相对简单。单层无纬布可作为软质防弹衣的骨架结构，多层压制可作为防弹加强插板等硬质防弹材料。如果说在上述两种织物中，大部分弹性能量是在冲击点或冲击点附近的纤维上被吸收，纤维被过度拉伸或刺穿而断裂，那么针刺非织造毡结构织物的防弹机理就无法解释。因为实验表明针刺非织造布几乎不发生纤维断裂。针刺非织造布由大量短纤维组成，没有交织点，几乎没有应变波的定点反射。其防弹效果取决于子弹撞击能量在毛毡中的扩散速度。据观察，被弹片击中后，破片模拟弹(FSP)顶部有一卷纤维状物质。因此，预测弹丸或弹片在撞击的初始阶段会变钝，难以穿透织物。许多研究资料指出，纤维的模量和毛毡的密度是影响整个织物防弹效果的主要因素。针刺非织造毡主要用于军用防弹衣防弹片。