（纺织材料与纺织品设计专业论文）柔性复合防刺服的研究.pdf

柔性复合防刺服的研究 摘要 近年来，随着反恐战争全球化和人们防护意识的提高，防护 已成为了一个世界性的重要问题，个体防护装甲装置得到了快速 的发展。在很多国家，包括中国，枪械的使用在某种程度上受到 严格的限制，而来自匕首、刺刀等锐器的威胁却无处不在，这使 得作为个体防护装甲中的一部分一一防刺装甲的开发和研究在 国际上越来越受到研究者的重视。目前国内外关于防刺产品开发 方面的研究很多，但大多数都是单一结构的防刺产品，而且很少 有对防刺机理做深入的分析研究。国际上还没有形成一套完善的 防刺机理。 为了研究出国际先进，国内领先的防刺产品，本课题在综合 参考了中华人民共和国g a 6 8 - 2 0 0 3 防刺服标准和目前世界上 最具权威的美国n i j 防刺性能测试标准的基础上制作了专用实验 刀具。根据g a 6 8 - 2 0 0 3 防刺服研制了落锤式动态防刺性能测 试仪的并制作了准静态防刺性能测试仪装备，通过动态、静态两 种实验分析材料的防刺性能。 通过对不同纤维原料的分析，选用超高分子量聚乙烯 ( u h m w p e ) 长丝为原料，研究开发了低捻高密机织物作为主要的 防磁材料。分析比较了u h m w p e 三种不同的纤维集合体结构：平 纹机织物、无纬布和无纺布在动态和静态条件下的防刺性能。通 过比较三种纤维集合体结构不同的组合方式在动态和准静态条 件下的防刺性能，选出最优的复合方式。按这种复合方式做成的 防刺服，与市场上单一结构的机织面料防刺服相比，在防刺性能、 重量、厚度、柔软度方面都有显著的优势。 本课题还提出了硬质金属粒子涂层的设计思想，此项研究在 国内尚属首例，为国内防刺材料的研究领域开拓了新的方向。通 过对不同硬质粒子涂层材料如氧化铝、碳化硅，不同粘合剂透明 聚烯烃胶、p u a 复合乳液、i 0 1 胶粘剂，不同涂层厚度和不同胶 粒比重的研究，寻找出一种既能增加防刺性能又对穿着舒适影响 最小的涂层复合材料。 另外本课题还通过分析防弹防刺机理方面的不同，结合实验 结果的分析，对防刺机理进行了初步分析。 关键词：防刺，复合，超高分子聚乙烯，高密机织物，涂层，防 刺机理 s t u d yo fc o m p l e xs t a b r e s i s t a n tb o d y a r m o r a b s t r a c t r e c e n t l y w i t ht h eg l o b a l i z a t i o no fa n t i t e r r o r i s ma n di n c r e a s e o ft h es a f e t ys e n s e ，p e r s o n a ls a f e t yh a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n t t h i n ga r o u n dt h ew o r l d ，r e s u l t i n gi nt h er a p i dd e v e l o p m e n t o fb o d y a r m o r s i nm a n yc o u n t r i e st h eu s eo fg u ni sp r o h i b i t e dv e r ys t r i c t l y ， a n dt h et h r e a tf r o mk n i v e sa n ds t a b si st h em a i nd a n g e r t h e r e f o r e ， a so n eo ft h ei m p o r t a n tp e r s o n a lp r o t e c t i v em a t e r i a l ，s t a b - r e s i s t a n t b o d ya r m o ri sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n n o w a d a y st h e r ea r e m a n ys t u d i e sa b o u tt h ee x p l o i t a t i o no fs t a b r e s i s t a n tp r o d u c t ，b u t m o s to ft h e ma r e s i n g l e s t r u c t u r em a t e r i a l a n dt h e r ei sl i t t l e a n a l y s i sa b o u ts t a b - r e s i s t a n tm e c h a n i s m t oe x c o g i t a t ea ni n t e r n a t i o n a la d v a n c e da n di n t e r n a ll e a d i n g s t a b r e s i s t a n tb o d ya r m o r ，t h et e s ts t a bi sd e s i g n e di nt h i st h e s i s c o l l i g a t es t a n d a r ds t a b si ng a 6 8 2 0 0 3s t a n d a r da n dn i js t a n d a r d - 0 11 5 0 0 w i t ht h em a i nd i m e n s i o ns a m ea sg a 6 8 2 0 0 3s t a n d a r da n d h a v i n ge d g e s a m ea sn i js t a n d a r d t h et e s t e r s f o rf a b r i c s t a b r e s i s t a n tp e r f o r m a n c et e s t i n gi nt h i sp a p e ri n c l u d ed y n a m i c s t a b r e s i s t a n tt e s t e r ，w h i c hw a ss e l f - d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ， a n ds t a t i cs t a b r e s i s t a n tt e s t e r ，w h i c hw a sa l t e r e df r o mb u r s tt e s t e r b a s e do nt h er e v i e wo ft h ep r e s e n tl i t e r a t u r e ，u h m w p e ( u l t r a h i g hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n e ) w a sc h o s e na ss t a br e s i s t a n t m a t e r i a l l o wt w i s th i g hd e n s i t yw o v e nf a b r i cw a sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e dt ob et h em a i ni m p a c t e n e r g ya b s o r b e r t h ed y n a m i c a n ds t a t i cs t a b r e s i s t a n ta b i l i t yo ft h et h r e es t r u c t u r e so fu h m w p e ， w o v e ni nh i g hs t r e n g t hrn o n w o v e n ，u d ，w a st e s t e da n dc o m p a r e d t h i st h e s i sp u tf o r w o r dt ot h ei d e ao ft h ew e f tk n i t t e dc o m p o s i t e s t a b r e s i s t a n tf a b r i c s d u et ot h er e s u l to fd y n a m i ca n ds t a t i c s t a b r e s i s t a n tt e s t i n go nc o m p o s i t eo fw o v e n ，n o n w o v e na n du d ， t h eb e s tc o m p o s i t em e t h o dw a sc h o s e n t h es t a br e s i s t a n ta r m o r m a d ew i t ht h i sc o m p o s i t ei si ng r e a ta d v a n t a g ei nl o c a lm a r k e t t h i st h e s i sa l s o p u tf o r w o r dt o t h ei d e ao fc o a t i n gw i t h a b r a s i v ep a r t i c l e so nw o v e nf a b r i c ，w h i c hw a st h ef i r s tt i m eb e i n g c o n s i d e r e di ni n t e r n a ls t a br e s i s t a n tf i e l d d i f f e r e n ta b r a s i v e p a r t i c l e sw a sp r o v i d e do nt h ew o v e nc a r r i e rb yd i f f e r e n ta d h e s i v et o g e tt h em o s ts u i t a b l ec o m p o s i t e a f t e rs t u d y i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nb u l l e tp r o o fa n ds t a b r e s i s t a n c ea n d a n a l y z i n g t h et e s t r e s u l t ，t h e s t a b r e s i s t a n t p e r f o r m a n c ea n ds t a b r e s i s t a n tm e c h a n i s mo fe a c hk i n do ff a b r i ci n d e t a i li sa l s os t u d i e di nt h i sp a p e r t h ep r o j e c tb e l o n g st ot h es c o p e o ft h ei n t e r n a t i o n a lh o ts t u d y , w h i c hl a y saf o u n d a t i o nf o rr e s e a r c h o fp e r s o n a lb o d ya r m o r s z h a oy u m e i ( f i b e rs c i e n c ea n dt e x t i l ed e s i g n ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o ry uj i a n y o n g k e yw o r d s ：s t a b r e s i s t a n t ， w o v e n ，s t a br e s i s t a n tp r i n c i p l e ， c o m p l e x ，u h m w p e ，h i g hd e n s i t y c o a t i n g 东华大学硕士学位论文 原创性声明 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，岽尚严谨学风。所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确 注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：赵玉橱 日期：o d s 年i 工月刀日 东华大学硕士学位论文东华大学学位论文版权使用授权书 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：盘二玉格 指导教师签名： 日期：，p 西年陟片矽且 ( ， 7 义万 日期：一 o o s - 年1 2 月2 d 日 东华大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 防刺个体装甲是一种对有刃刀具和有尖工具的威胁进行防护 的个体装置，主要装备公安执勤人员和狱警等公安和劳教部门，也 用于保安和出租司机等。 对于包括中国在内的枪械管理相对严格的国家而言，根据治安 状况实际和来自有关部门的统计资料分析显示：犯罪分子使用的犯 罪工具主要是匕首、刺刀、三棱刮刀、剃骨刀、弹簧刀等一类尖锐 利器，违法犯罪分子使用凶器不仅严重危害了广大人民群众的生命 安全，造成社会治安状况恶化，破坏稳定团结与社会主义经济建设， 而且给公安干警和其他执法人员在执行公务时的人身安全造成很 大威胁。据不完全统计，自1 9 4 9 年1 0 月1 日至今，全国公安系统 共有八千余名警察因公牺牲，1 0 万余名民警因公负伤。2 0 0 4 年2 月2 3 日公安部新闻发言人孙永波主持的新闻发布会公布：2 0 0 3 年 全国公安系统有6 5 5 2 名民警因公牺牲、受伤，其中牺牲4 7 6 人。 平均每天就有1 3 名民警牺牲，近1 7 名民警受伤。且他们中大多 是被刀具所伤害。而且，近几年来，全国公安系统及其他执法人员 被刺伤的案例还在逐年上升，所以保护人民群众生命安全，提高公 安应急系统保护，保护执勤人员的人身安全，使防刺研究势在必行 【2 1 。 1 1 防刺服的发展与现状 参考防弹衣的分类3 1 ，跟据主体防刺材料的柔韧灵活程度，也 可以将防刺服分为硬质、半硬质和软质防刺服。 硬质防刺服是一种由一定形状和曲面的硬质防刺板作为防刺 插板的防刺盔甲。 半硬质防刺服是具有一定柔韧性的防刺服，这种防刺服由几层 复合而成，中间有一层或几层特殊的金属片或钢丝圈夹层。 软质防刺服的防刺层或防刺板是由叠层高性能防刺纤维织物 或高性能纤维柔性单向复合材料构成【4 】。 东华大学硕士学位论文第一章绪论 防刺个体装甲要求能够保护人体免受刺刀、匕首等尖锐物体的 伤害，同时要求保证穿戴者的活动不受太大限制。半硬质和硬质防 刺服虽然防穿透性能优异，但其重量和刚性对使用者的活动和穿着 舒适性有较大的限制和影响。柔性防刺服柔韧性好，基本上可以日 常穿着，而且隐蔽性较好，是最近几年的研究重点。 1 1 1 硬质防刺服 5 - 9 】 硬质防刺服的防刺层全部由金属组成。冷兵器时代，人们在战 争中主要使用大刀、长矛、弓箭等武器，从而使用金属盔甲的士兵， 这些冷兵器就很难伤害到他们，由于防刺服要防护的威胁对象实际 上和古代冷兵器时代的兵器很类似，所以早期的防刺衣也采用了和 古代盔甲类似的制作和构成方法，如在第一次世界大战及更早时 期，士兵们采用钢板装甲用于人体防护，后来又研究使用较轻的铝、 钛金属装甲，用高性能合金冷轧制成整体造型的防刺插板或采用高 强轻质( 如铝合金) 金属材料制作成古代鳞片甲一样的防护层，这 种防刺服防刺性能优异，但其重量和刚性对使用者的机动灵活性和 穿着舒适性有较大的限制和影响。金属片类防刺服装主要是将盔甲 整体性的结构进行改进，如将金属分割成为荷叶边型、其他形状的 多边形等等，机动灵活性和穿着舒适性相对于盔甲稍有改善。 图1 1 荷叶片形合金装甲层 1 1 2 半硬质防刺服 t 0 - 1 7 l 半硬质防刺服主要分为衬金属圈、金属片类防刺服和浸渍树脂 类防刺服两类，相对于金属类防刺服，衬金属圈、金属片类防刺服 有重量减轻，性能变软等优点，使用人员穿着时的舒适和灵活性能 有所提高。 2 东华大学硕士学位论文第一章绪论 衬金属圈、金属片类防刺服的防刺材料主要采用柔性高强纤维 材料与金属编织结构复合，高强纤维材料有凯夫拉( k e y l a t ) 、超高 分子量聚乙烯( u h i “w p e ) 、碳纤维、玻璃纤维、液晶纤维、p b 0 等， 所述的金属丝可以是不锈钢丝、铜丝、钛丝、合金丝中的一种或 混合丝。 因为匕首与钢丝垂直时防刺最差，所以有些防刺服提出，将至 少三根钢丝以不同的捻角捻在一起，且三个不同的捻角都要露出在 表面d 3 。钢丝绕成金属环，端点点焊、互锁，金属丝直径0 2 - 2 m m ， 金属环直径介于1 o 2 0 m m ，金属防刺层的重量一般在3 k g 以上 d 4 。如图1 3 ，防刺层由在同一平面的圆环l 通过连接环2 连接 在一起。 为防止钢丝间滑移，有时会涂粘合剂，一般为弹性橡胶、聚亚 氨脂等。有时外涂层防腐蚀，分为金属涂层( 锌、铝、锌铝合金) 和化合涂层( 尼龙、聚乙烯) 。 图1 2 丝圈类防刺服复合层断面图图1 3 钢丝圈结构示意图【l 5 1 浸渍树脂类防剌服的防刺层为高密多梳栉经编织物【l6 1 、紧密机 织物、短纤毡层( 无纺布) 或他们的复合【1 7 】，通过浸渍热塑性树脂 或环氧树脂来增强防刺作用。 1 1 3 软质防剌服 随着高聚物材料科学和技术的发展，人们逐渐突破了“以刚克 刚”的定势，尤其是在美国d u p o n t ( 杜邦) 公司对位芳香族聚酰胺纤 维的开发成功以来，多种高性能有机合成纤维相继出现，再加上纳 米技术、生物技术的综合应用，为防刺个体装甲带来了革命性的飞 东华大学硕士学位论文第一章绪论 跃，推动其向着轻量、高性能和舒适性方向的进一步发展。 软质防刺服采用柔性高强纤维材料的不同集合体形式复合作为 防刺层。为了适应各种不同的防护要求，研究人员研制开发了不同 的织物结构用于防刺纺织品，有传统的机织物、针织物以及无纬单 向布( u d ) 、无纺织物等，品种众多，形式多样。织物的结构不同， 其力学性能、成型性能以及防护性能也不同，可以根据不同的防护 要求选择不同结构的织物形式。如美国c r i m i n o l o g y 国际公司研究 所研制的一种柔软的防穿透背心【1 2 】，采用芳纶或高性能玻璃纤维轻 型针织物多层结构，各层用缝合、热粘合等方法结合在一起。 图1 4 经编多轴向衬纱织物 1 6 1 1 2 防刺材料的选择 作为个体防护装甲材料的一种，防刺织物的纤维原料，也和其 他防护织物一样，要具有高强度、高模量、耐冲击、高吸能等特性。 目前，国际上较为流行的纤维原料主要包括芳纶纤维，超高分子量 聚乙烯纤维；另外，近年来p b o 纤维、蜘蛛丝纤维也有一定量的 应用。 1 2 1 芳纶纤维 芳纶纤维是芳香族聚酰胺纤维在我国的商品名。因纤维大分子 链节中酰胺键和亚胺键位置的不同，芳纶得到各种命名，如芳纶1 4 和芳纶1 4 1 4 。聚对苯二甲酰对苯二胺( p p t a ) 纤维是芳香族聚酰 胺纤维中最有代表性的高强度、高模量和耐高温纤维，该纤维最早 由美国杜邦公司于1 9 7 1 年研制成功，商品名为k e y l a r 。其中 k e v l a r 2 9 ，是k e y l a r 纤维用于防护装甲的第一代产品，强度达到 4 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 2 0 c n d t e x ，是当时任何其他纺织纤维强度的2 5 倍以上。以后相 继出现了t w a r o n ( 荷兰h k z on o b e l ) 、t e c h n o r a ( 日本帝人) 和t e r l o n ( 俄罗斯) 等著名品牌的芳纶。p p t a 纤维具有高强度、高模量、低 密度和高的能量吸收能力等优良的物理机械性能，应用范围十分广 泛【l3 1 。 p p t a 纤维具有如下特点 1 9 1 ： 1 ) 强度高。p p t a 纤维实际强度为2 2 c n d t e x 左右，具有优异 的抗张性能。 2 ) 热稳定性好。p p t a 纤维的玻璃化转变温度约3 4 5 。c ，在高 温下不熔，收缩亦很小。将其在1 6 0 0 c 热空气中处理4 0 0 h 后，纤 维强度基本不变；在约5 0 0 。c 以上，碳化速度明显加快；纤维虽可 燃烧，但离开火源后有自熄性。 3 ) 反复拉伸性能好，尺寸稳定性在有机纤维中最佳，但弯曲疲 劳性较聚酯纤维差。 4 ) 对普通有机溶剂、盐类溶液等有很好的耐化学药品性，但耐 强酸、强碱性较差。 5 ) 对紫外线比较敏感，不宜直接暴露在日光下使用。 6 ) p p t a 纤维是一种外观呈黄色的纤维，不易染色。 1 2 2 超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 纤维 u h m w p e 纤维是8 0 年代初由荷兰的d s m 公司以十氢萘为溶 剂，将超高分子量聚乙烯升温形成凝胶，热拉伸后纺丝得到的高性 能有机纤维；又称伸直链聚乙烯( e c p e ) 纤维、高强度高模量聚 乙烯( h t h m p e ) 纤维、高性能聚乙烯( h p p e ) 纤维。已商业化的 u h m w p e 纤维主要有荷兰d s m 公司的d y n e e m as k 系列，美国 a l l i e d - s i g n a l 公司的s p e c t r a 系列，意大利s n i af i b e r 公司的t e n f o r 系列和日本三井公司的t e k m i l i o n 等。 这种纤维的表面化学惰性，对酸碱和有机溶剂有很强的抗腐蚀 性；由于分子链上没有不饱和基团，其耐光、热老化和防中子、防 y 射线性能优良。纤维的密度较低，仅为0 9 7 9 c m 3 ，为k e v l a r 的 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 2 3 ；轴囱比强度和模量都很高，且能量吸收性和耐磨损性优于芳 纶，断裂伸长率大于高强碳纤维。因此u h m w p e 纤维特别适合作 为安全手套、防刺、防弹服装等的防护材料。表卜1 列出了u h m w p e 纤维的物理参数 2 0 - 2 3 l 。 表1 1u h m w p e 纤维的物理参数表 d y n e e l a a s p e c t r a 纤维名称 s k 6 0s k 7 5s k 7 6s 9 0 0s 1 0 0 0 密度( g e m 3 ) o 9 7o 。9 70 9 70 9 7o 9 7 强 g d e n 3 24 04 23 0 3 4 5 度 g p a 2 7 03 4 0 3 6 02 5 72 9 5 模g d e n 1 0 2 51 2 5 01 3 5 08 5 01 1 8 0 量 g p a 8 91 0 71 1 67 3l o l 断裂伸长率( ) 3 ，53 83 83 63 2 l 。2 。3p 8 0 纤维【2 4 。2 5 】 p b o 纤维是聚对苯撑苯并双恶唑纤维( p o l y - p p h e n y l e n e b e n z o b i s t h i a z o l e ) 的简称，是2 0 世纪8 0 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，后由日本t o y o b o 公司以z y l o n 商标投放市场。它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”2 1 世纪超级纤维”。p b 0 是一种刚性棒状各向 同性结晶聚合物，具有高强、高模量、耐热、阻燃等特性，其强力、 模量为k e v l a r 纤维的两倍，并兼具有间位芳纶的耐热阻燃的性能， 拉伸强度为5 8 g p a ，拉伸模量最高可达2 8 0 3 8 0 g p a ，有“纤维之王” 的美称。 p b o 纤维的限氧指数为6 8 ，在有机纤维中阻燃性最高。p b o 纤 维柔软性良好，织成的织物柔软性近似于涤纶纤维织物，对于纺织 6 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 编织加工极为有利。p b o 纤维的耐药品性、耐切割性较好，作为保 护材料有良好的效果。p b o 的缺点是耐光性差，受紫外线照射影响 纤维的强度，因此使用时应避光。 p b o 纤维的用途可分两类，即耐热性的应用和力学特性增强材 料的应用。耐热材料应用中最适宜用作制铝工业和玻璃工业制造过 程出料时的缓冲垫料，还可用于消防服、炉前工作服、焊接工作服 等耐热工作服，高温过滤用耐热过滤材料。而力学特性增强材料的 应用范围很广，可用于轮胎、运输带、胶管等橡胶制品的补强材料， 混凝土的补强材料，防切伤的保护服、安全手套、安全栏、赛车服、 飞行员服等各种运动服和活动性运动装备，用p b o 纤维制作的复 合材料可用于导弹、航天器、飞机、赛艇、震动板等。 1 2 4 蜘蛛丝纤维 蜘蛛丝的主要化学成分是甘胺酸( n h 2 一c h 2 一c o o h ) 、丙胺酸 ( n h 2 c h c h 3 卜c o o h )及小部分的丝胺酸 ( n h 2 c h c h 2 0 h 一c o o h ) ，加上其它胺基酸单体蛋白质分子链构 成。外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和强度，其 原因在于：一方面，蜘蛛丝中具有不规则的蛋白质分子链，这使蜘 蛛丝具有弹性；另一方面，蜘蛛丝中还具有规则的蛋白质分子链， 这又使蜘蛛丝具有强度。 长期以来，科学家一直在研究如何大量制造蜘蛛丝的方法。丹 麦阿赫斯大学的研究人员发现：蜘蛛造丝的蛋白质与酸接触时，它 们之间相互叠合，连接成链状，从而使丝的强度大大增加。美国麻 省的国家陆军生物化学指挥中心和加拿大魁北克内克夏生物科技 公司( n e x i ab i o t e c h n o l o g i e s ) 从蜘蛛身上抽取出蜘蛛基因植入山 羊体内，让羊奶具有蜘蛛丝蛋白，再利用特殊的纺丝程序，将羊奶 中的蜘蛛丝蛋白纺成人造基因蜘蛛丝，这种丝又称为生物钢 ( b i o s t e e l ) 。用这种方法生产的人造基因蜘蛛丝比钢强4 至5 倍， 而且具有如蚕丝般的柔软和光泽，可用于制造高级防弹衣。生物钢 的用途广泛，还能制造战斗飞行器、坦克、雷达、卫星等装备的防 东华大学硕士学位论文第一章绪论 护罩等。 表1 2 是几种主要高性能纤维的性能比较： 表1 2 高性能纤维性能比较 2 6 , 2 7 | 断裂纤维最高 密度断裂强度模量 种类伸长直径 使用 i g c m 3 c n d t e x l，( )o n d t e x 。1 ，um温度 k e v l a r 2 91 4 32 0 33 64 8 9 51 22 5 0 k e v l a r 4 91 4 52 02 89 3 l1 2 2 5 0 k e v l a r l 4 91 4 7l5 61 59 7 2 81 22 5 0 t e c h n o r a1 3 92 3 74 35 0 3 61 22 5 0 s p e c t r a 9 0 0 0 9 82 6 53 5 1 2 2 4 3 81 0 0 s p e c t r a l 0 0 0 0 9 83 0 62 7l7 4 4 92 8 1 0 0 b o r o l l2 5l o 2l1 6 0 03 3 - i4 02 0 0 0 s i c ( 碳化硅) 2 81 4 30 6l5 0 0l o 1 21 3 0 0 氧化铝 3 2 5 5 5 1 26 4 6 2 1 71 2 0 0 e 玻璃纤维 2 5 5l o 234 7 15 2 53 5 0 s 玻璃纤维 2 4 81 9 45 33 4 2 85 2 53 0 0 t h o r n e l p l o o h m 1 9 69 5o 3 82 6 3 7 84 86 0 0 铜 7 89 74 81 9 2 3 1 3 本课题的主要研究内容和意义 目前，国内外已经有一些软质防刺服装面世，然而，一方面由 于市场不规范，其安全可靠性大都没有经过严格的科学鉴定，有的 甚至在使用时还出现了问题；另一方面，虽然对于防弹已经有过多 年的研究，相对比较成熟，但高速子弹对防弹衣的冲击与低速利器 的劈砍和冲击的作用机理是不一样的。前者的能量分散主要通过弹 头变形、纤维断裂及冲击波的传播方式将能量传播或消耗掉，而匕 首的穿刺作用主要是剪切，能量分散范围比较窄，特别是针尖类刺 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 刀不容易防御。目前防刺机理还不清楚，所以在叠层材质的选择、 铺层方式等都还存在一定的问题。另外，现在市场上的防刺服装还 存在重量重，灵活性很差，行走不便，有时甚至会影响到执法人员 执行公务，价格昂贵难以普及等缺点。所以，针对目前的实际需求 和防刺服装开发中存在的问题，进行防刺装甲的研究与开发具有很 强的理论和现实意义，对于提高我国个体防护水平也具有重要作 用。 本课题是公安部的公安巡警安全防护服研究项目，主要进行高 性能纤维柔性复合织物防刺服的研究开发。 1 3 1 本课题的主要研究内容 在大量阅读文献和前期调研的基础上，本课题选择超高分子量 聚乙烯( u h m w p e ) 长丝制备防刺材料，用自制的防刺性能测试仪器进 行测试，以大量的实验为基础对整个穿刺过程进行分析。此外，本 课题开发、研究了硬质粒子涂层对防刺性能的影响，此项研究在国 内尚属首例，为国内防刺材料的研究领域开拓了新的方向。 主要内容包括： 1 、自制两种防刺性能测试仪器 ( 1 ) 动态防刺性能测试仪：结合国内外防刺性能的测试标准， 自行研制的落锤式冲击仪。模拟高速刺穿过程，测试刺穿织物层数。 ( 2 ) 静态防刺性能测试仪：改装h d 0 2 6 n 型电子织物强力仪， 测试慢速刺穿过程中的最大刺穿力，并描绘出刺穿过程的力值变 化。为理论分析提供依据。 2 、防刺原料的比较和选择 分析、比较超高分子量聚乙烯同其它几种防刺材料的性能优 势。 3 、u h m w p e 三种纤维集合体形态的防刺性能比较 分别比较了平纹机织物、无纬布和无纺布的静态防刺性能和动 态防刺性能。 4 、三种纤维集合体形态不同复合方式的防刺性能比较 9 东华大学硕士学位论文第章绪论 对平纹机织物、无纬布和无纺布三种纤维集合体形态不同复合 方式的静态防刺性能和动态防刺性能进行比较。 5 、不同纱线粗细u h m w p e 机织物防刺性能比较。 对4 0 0 d 和1 5 0 0 d 超高分子量聚乙烯纱线平纹机织物的防刺行 能进行比较。 6 、硬质粒子涂层对防刺性能的影响。 研究不同涂层材料、不同涂层参数对防刺性能的影响。比较涂 层前后的防刺性能。 7 、防刺机理的探索和分析 1 3 2 本课题的重要意义 如前所述，本课题对于我国防刺领域的空白方面作了一些有益 的讨论，通过大量的试验研制出了性能优异的柔软复合防刺服，在 国内防刺服领域首次提出硬质粒子涂层对防刺性能的影响，为国内 防刺材料的研究领域开拓了新的方向。对防刺机理的分析和探讨， 虽不是十分成熟，但为后人的研究工作奠定了一定的基础，部分结 论对于实际应用有一定的参考和指导价值。 1 0 东华大学硕士学位论文第一章绪论 参考文献 【1 1 中国公共安全认证网堂丝型：q ：g q ! ：g n 【2 】王曙中，高科技纤维在功能防护纺织品中的应用，技术创新，2 0 0 3 8 1 6 1 9 【3 】张建春、张华鹏，军用盔甲，长城出版社，2 0 0 3 6 ，p p l7 8 【4 】邱冠雄、姜亚明，反恐纺织品的发展和研究探索。天津工业大学学报， 2 0 0 3 4 【5 】a n d e r s o n ，r a n dm a t s a l l a ，d ，t h es t a br e s i s t a n c eo fb o d yar m o r ， e n g i n e e r i n gp r o j e c tr e p o r t ，r o y a lm i l i t a r yc o l l e g eo fc a n a d a ，k i n g s t o n ， o n t a r f o ，i9 9 7 【6 】李国昌，新型防刺马甲，9 8 2 1 3 3 7 0 7 ，a 4 1 d 13 0 0 ，1 9 9 9 7 1 4 f 7 】徐际长，脱卸式防_ 刺防弹农，9 4 2 3 9 7 3 4 7 ，a 4 1 d 1 3 1 0 0 ，1 9 9 6 1 1 7 【8 】王越，一种防刺服， 912 0 6 90 3 1 ，a 4 1 d 1 3 0 0 ，1 9 9 2 8 1 【9 】李训娣、刘培纯，双层甲片防刺服，9 4 2 2 3 5 8 9 4 ，a 4 1 d 13 0 0 ，1 9 9 5 7 2 6 【1 0 】俞卫平，一种防刺马甲，中国，实用新型，0 3 2 3 0 5 2 4 9 ，2 0 0 4 4 1 4 】 【1 1 】董云兴，防剌服装，实用新型，2 0 0 4 2 0 0 1 18 1 7 0 ，2 0 0 5 0 4 2 7 【1e lg o e r z ，j r ，e ta 1 ，s o f tb o d ya r m o rm a t e r i a lw i t he n h a n c e dp u n c t u r e r e s i s t a n c ec o m p r i s i n ga tl e a s to n ec o n t i n u o u sf a b r i ch a v i n gk n i tp o r t i o n sa n d i n t e g r a l l yw o v e nh i n g ep o r t i o n s ，u n i t e ds t a t e sp a t e n t54 7 27 6 9 ，d e c e m b e r 5 ，1 9 9 5 f13 】b a c h n e r ，e ta 1 ，m u l t i c o m p o n e n ts t a ba n db a l l i s t i cr e s i s t a n t g a r m e n ta n dm e t h o d ，i n t e r n a t i o n a lp a t e n tw o0 2 0 5 7 7 0 2a 2 ，15a u g u s t 2 0 0 l 【1 4 】c h i o u ，e ta 1 ，p e n e t r a t i o n - r e s i s t a n tb a l l i s t i ca r t i c l e ，u n i t e ds t a t e sp a t e n t ， 6 ，1 3 3 。1 6 9 ，o c t o b e r1 7 ，2 0 0 0 【15 】文征，一种防刺服，0 3 2 1 7 5 0 3 5 ，a 4 1 d 1 3 0 0 ，2 0 0 4 6 9 【1 6 】g e h r i n g ，j r ，e ta 1 ，p o i n t e dt h r u s tw e a p o n sp r o t e c t i v ef a b r i cs y s t e m ， u n i t e ds t a t e sp a t e n t ，6 ，2 3 3 ，9 7 8 ，m a y2 2 ，2 0 0 1 东华大学硕士学位论文第一章绪论 【17 】c h i o u ， k n i f e - s t a b r e s i s t a n t c o m p o s i t e ，u n i t e ds t a t e s p a t e n t ， 6 ，5 3 4 ，4 2 6 ，m a r c h18 ，2 0 0 3 【l8 】 美 s 阿达纳，威灵顿产业用纺织品手册 著 ，北京：中国纺织出版 社 1 9 k h l e o n g ，e ta 1 。t h ep o t e n t i a lo fk n i t t i n gf o re n g i n e e r i n g c o m p o s i t e s - ar e v i e w ，c o m p o s i t e s ：p a r ta2 0 0 0 ( 3 1 ) ：1 9 7 - 2 2 0 2 0 肖长发，纤维复合材料【著】，北京：中国石化出版社，1 9 9 5 ，2 3 4 6 【2 1 】蔡忠龙、冼杏娟，超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料，北京科学出 版社，1 9 9 7 【2 2 】王善元张汝光等，纤维增强复合材料，中国纺织大学出版社 【2 3 】m a l l i c k p k f i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s ：m a t e r i a l s ，m a n u f a c t u r i n g a n dd e s i g n ，m a e c e ld e k k e ri n c ，n e w y o r k ，19 9 3 2 4 崔天放，邵玉昌，液晶高分子p b o 纤维的性能、合成与纺制，材料 导报。2 0 0 4 1 2 ，5 1 5 6 【2 5 1 李金焕黄玉东，p b o 纤维的合成、纺制、微相结构与性能研究进展， 高分子材料科学与工程，2 0 0 3 1 l1 9 ( 6 ) ，4 6 4 9 2 6 】王善元张汝光等，纤维增强复合材料，中国纺织大学出版社 2 7 熊杰等，纤维集合体装甲的研究进展，高科技纤维及应用，2 0 0 1 ( 4 ) ： 1 1 1 2 东华大学硕士学位论文 第二章防刺机理研究 第二章防刺机理研究 近二十几年，对于防弹的理论和实验研究已经比较成熟，而对 于防刺的研究相比较少。目前，世界上对防刺机理还没有定论，成 为阻碍防刺服发展的主要问题。只有从机理角度把握防刺与防弹的 不同，才能更好的进行防刺服设计。 2 。1 防弹机理 防弹作用过程实际上是防弹材料对弹丸冲击的响应过程。通过 分析防弹材料上弹着点处纤维的破坏情况和观察防弹材料背部的 变形，根据防弹材料对弹丸冲击响应的不同特点，可以将防弹材料 对弹丸冲击的响应过程划分为以下五个阶段： 丸 r ， 图2 1 弹丸对防弹材料的压缩作用川 i ) 高速压缩阶段 高速飞行的弹丸与防弹材料刚接触时，由于后部防弹材料和背 材的支撑作用，瞬间将防弹材料压缩至最小厚度，如图2 1 所示。 2 ) 剪切破坏阶段 弹丸作用在片材上，产生了剪切破坏，这一破坏过程是一种双 边剪切过程，在这个阶段，弹丸开始墩粗、变形，剪切破坏占主导 地位，同时伴有后层纤维的拉伸变形。 3 ) 拉伸破坏阶段 随着弹丸速度降低，纤维开始受到拉伸作用而变形，弹丸的动 能向纤维的弹性势能转化，当纤维的弹性势能超过其断裂功后，纤 维被拉伸破坏，这一阶段弹丸继续被墩租。 4 ) “背凸”形成阶段 东华大学硕士学位论文第二牵防刺机理研究 由于弹丸的墩粗和减速，纤维的拉伸变形受到了防弹材料后部 纤维的限制，参与阻止弹丸前进的后部防弹材料数量增多，防弹材 料上开始形成“背凸”，弹丸的动能进一步被纤维的拉伸变形所消 耗。通常弹丸在完成对防弹材料的穿透以后会嵌在后一层防弹材料 上，观察该层防弹材料的背面能发现明显的与球冠或半球类似的塑 性变形，之后防弹材料的变形越来越大，形成“背凸”。 防弹服吸收冲击物动能的途径 2 - 5 】； ( 1 ) 弹头的自旋动能因摩擦变热而被吸收 弹头以弹道速度飞行的同时，作自旋运动。计算可知，这一部 分能量小于l o j ，仅占弹头全部动能的2 以下。高速自旋的弹头 接触纤维防弹材料的过程中，由于相互摩擦动能变成热量而被吸 收。由于这部分能量较小，纤维材料不会熔融。 ( 2 ) 弹头变形吸收一部分冲击能。 ( 3 ) 绝大部分冲击能被纤维材料所吸收 纤维防弹材料遭到外来冲击的瞬间，外力使纤维产生拉伸形 变，被吸收的冲击能，变成纤维形交所需的功，纤维拉伸形变至断 裂所需的功，称为纤维的断裂功，亦称“断裂能”。断裂能的大小。 与参与形变断裂的纤维量有关。单位质量纤维的断裂能称为纤维的 “能量吸收率”，这是衡量纤维防弹性能的一个重要参数。纤维材料 受外力冲击产生的应力应变纵波在其内部快速向四周扩散，这就 是熟知的“冲击波”( 即声波) 。纤维中声速的高低决定了冲击能瞬间 扩散范围的大小，也就决定了参与能量吸收的纤维量的多少，从而 影响防弹效果。因此，纤维中的声速是决定纤维防弹性能的又一重 要参数。防弹材料中的纤维如果呈挺直状态，则冲击波可沿纤维轴 向传播至较远的距离而无反射，这有助于冲击能的快速扩散；如果 纤维呈“s ”状，或有断头，则弯曲点或断点会部分反射冲击波( 参见 图2 2 ) ，缩小了瞬间扩散范围，防弹效果降低。不难理解，纤维 u d 布的防弹效果要比编织布好。同一层面内或是层面之间的纤维， 只要相互接触，必然存在冲击能量的传递。传递过程中，冲击波的 1 4 东华大学硕士学位论文 第二章防刺机理研究 反射也是多种多样、极为复杂的，因为凡是材料界面，必有反射。 由此可见，冲击波最有效的扩散途径是沿纤维轴向的扩散。 图2 - 2 受冲击纤维中应力，应变纵波的传播 2 1 应变 应力一 图2 3 应