防刺織物的研究與發展現狀

蔡普寧 李 麗 樊爭科 林 娜 趙 雷

(陜西省紡織科學研究院，陜西西安，710038)

1 防刺織物的研究背景及必要性

自2001年“9·11事件”發生以來，相繼發生了多起暴力恐怖事件，如2010年7月7日英國倫敦地鐵和公交車連環爆炸案，2013年4月5日波士頓馬拉松比賽終點線附近兩起爆炸，2014年3月1日我國昆明火車站暴力恐怖襲擊事件等，促使個體防護成為一個世界性的關注方向。

各類砍傷、割傷、刺傷案件的接連發生,使人們對自身安全的防護意識不斷提高。刺穿武器材質的發展經歷了木頭、石頭，到現在的金屬材料。防護材料從金屬薄片裝甲襯衣到由金屬絲加工成扁環相互嵌套的鎖子甲，由于穿著笨重、加工難度高、周期長、造價高等問題，目前多偏向于柔性防刺裝甲的研究與開發[1-2]。

目前國內約有90萬的武警、150萬的公安人員，還有海關、解放軍等對防彈衣防刺服有巨大需求的公職人員，防刺裝甲的研究與開發勢在必行。隨著經濟和社會的發展，軍民融合戰略的實施，加之技術創新和高性能纖維的不斷涌現，防刺柔性輕質裝甲整體處于相對活躍的研究氛圍[3]。

2 國內外研究現狀

防刺服最初采用的是金屬類材質的全硬質材料，如將鐵、鋼等金屬加工成金屬板或金屬插片。后期發展到半硬質防刺材料，主要采用金屬類材質(金屬片、金屬環)與樹脂進行浸漬，相較于全硬質材料，在質量和舒適性方面均有改善。目前主要研究的熱點為軟質防刺材料，多采用高分子柔性纖維材料制成，結合其他技術的綜合應用，為防刺服更進一步的減重、增加舒適性提供保障[4]。

現階段，針對防刺服的研究國內外均取得了較大的進展，但是基本都是從材料角度出發。防刺裝備金屬材質主要有：硬質鋁合金、碳鋼、不銹鋼以及低成本的馬口鐵[5]。雖然這種防護服的防刺穿性能優異，但其質量和剛性對使用者的活動和穿著舒適性有較大的限制。為了減輕防刺服的質量并提高穿著舒適性，通過對金屬絲進行加捻或將金屬繞成金屬環，在端點進行點焊，且在環與環之間形成互鎖。現有鎧甲主要有三種：紡織品皮革、金屬插板、鎖子甲[6]。

金屬插板類薄片裝甲襯衣是由許多塊裝甲片組成的，然后通過細繩連接在一起，當我們收緊這些細繩時，每一片裝甲便會相互靠近甚至重疊。其原理為塊狀金屬插片相互串聯形成平面防護層，當刀尖入刺時，在節點處形成自鎖，刺入深度隨節點孔徑的增大而增大。其優點為：可將沖擊能量更好地大面積反射散播、抗變形、抗凹痕；缺點為：質量重，加工難度高，加工成本高，穿著舒適性差。

鎖子甲是鎧甲的一項重要發明，由鐵絲加工成扁環(小鐵圈)，相互套結[7]。其原理為小鐵環相互穿套，鐵環自身的粗細決定其所能承力的大小，鐵環的直徑大小決定刀尖刺入的深度。當刀尖入刺時，鈍化刀具，在孔隙處形成自鎖，刺入深度隨孔隙處直徑的增大而增大。其優點為：質量較金屬片狀鎧甲有所減輕，抗變形，具備一定的靈活性；缺點為：質量較重，加工難度非常高，加工成本非常高，穿著舒適性差。鎖子甲金屬環互相串套結構如圖1所示。

圖1 鎖子甲金屬環結構示意圖

圖3 長塊金屬板結構

圖2是由六角形的鋁板構成，外圍由十二邊形的法蘭用鉚釘固定。圖3采用小塊的長方形金屬板，邊緣鉆孔，由鉚釘連接，輪流重疊排列。此類結構通過拼合層將金屬輕質薄片連接在一起，使材料的防刺性能得到顯著的提高。芳綸纖維和高分子模量聚乙烯纖維由于其高強、高模、耐高溫和耐化學作用等功能，目前被廣泛運用在防刺產品領域，織物結構設計與不同高性能纖維原料選配的結合，為實現軟質柔性防刺材料奠定了基礎。防刺產品的形式主要為一層或多層的織物或其他防刺材料的復合，如浸膠的芳綸PE氈、在芳綸機織布上涂覆金剛砂、細特芳綸和PE織成的機織布或填充了納米粒子的浸膠氈/織物等均具有較好的防刺性能[8]。

美國Criminology國際公司研究所研制開發的《一種輕便柔軟的防穿透背心》是一種較為輕型的針織防刺織物，纖維采用芳綸或高性能玻璃纖維等，為多層結構，各層用縫合、熱黏合等方法結合在一起[9]。通過浸漬熱塑性樹脂或環氧樹脂來增強該防穿透背心的防刺性能，通過加入高強金屬絲及陶瓷纖維等提高防穿透性能，亦可在外表面采用不銹鋼網、鈦絲或鈦等的金屬輕質薄片形成凹凸不平偏斜層來增加材料的防刺效果。美國JHRG LLC公司[10]開發了一款防穿刺、防剪切的層壓織物，該織物通過在一定的張力下采用115 ℃至137 ℃充分加熱軟化熱塑性薄膜，織物收縮便產生了層壓壓力，可獲得具有柔韌性好、防切割、防穿刺性能的層壓織物。

GA 68—2008《防刺服》對防刺類產品的要求較高，目前具備防刺性能的材料有很多，但要達到防刺性能和舒適性能同時具備并不容易。防刺服的面料開發目前面臨的主要技術難點有兩個方面：一是防刺服面料需具備良好的防刺功能性，二是防刺服面料需在質量上保證輕質[11]。

3 防刺機理研究

很多人認為，既然防彈衣能防住高速沖擊的子彈，那么對刺刀、匕首的穿刺威脅就更沒有問題了，所以沒有必要專門研究防刺材料，其實不然[12]。防彈理論并不能應用在防刺上，具備防彈性能的軟體裝甲材料并不能滿足防刺性能要求[13]。防刺纖維材料應具有高強度、高模量、耐剪切和耐沖擊的性能。目前，常用的防刺纖維材料有超高分子量聚乙烯纖維、芳綸、聚對苯撐苯并雙嗯唑纖維、陶瓷纖維、碳纖維、蠶絲絲膠、蜘蛛絲、聚對苯二甲酸丁二酯和聚酯纖維等。

在刺刀刺入衣服的過程中，刺刀能量迅速降低[14]，受力區域的纖維將沖擊能向鄰近區域傳播，能量分散的越快越能降低對作用區域的損傷，防彈服與防刺服在能量吸收分散方面的機理類似。相對于槍彈的高速沖擊，刺刀作用于防護服時主要為剪切作用，作用范圍小。相應的，若防護材料的組織越緊密、強度越高，防剪切性能就越好。目前防刺效果較好的防刺衣大部分為密度較大的硬質材料。從機理方面來說，刺刀或匕首刺入織物的過程能量分散范圍窄，因此單位密度纖維所吸收的能量較大。防刺包括防刺穿和防切割兩方面，穿刺過程中刀尖接觸織物開始拉伸纖維緊接著對其產生切割作用[15]。綜上，防刺材料必須有緊密的組織以使其可以握住刀尖，同時還需要多層織物重疊，抵御伴隨刀尖的能量。

防刺的原理主要有兩個方面：摩擦自鎖機理和多層復合防刺機理。如圖4所示，通過對刺入力F在織物表面的分解可知，沿水平方向的分力值Fs=Fsinα，沿垂直方面的分力值Fn=Fcosα。當刺刀垂直刺入織物時Fn值最大，破壞力最大，織物更容易受損。當刺刀與織物呈一定夾角刺入時，力值會在平行方向和垂直方向產生分力值，當刺入角α大于最大自鎖角度時，則刺刀在材料表面滑動，此時對材料的刺穿損傷較小。

圖4 刺力在織物表面的分解

多層防刺織物多采用無紡布與機織物的多層復合，機織物承擔拉伸力，無紡布承擔剪切力。隔層鋪設，逐層消耗剪切能和拉伸能，達到消耗全部沖擊能的目的。如圖5所示，當刺入力垂直作用于防護服表面，由于受力產生彎曲，刺入力F值分解為平行于表面的切向力(拉力)F1和垂直于表面的法向力(剪切力)F2，因此需要能承擔這兩種力的織物作為吸能材料。在外力作用下，多層織物的變形規律如圖6所示，由力的分解得F1=Fsinβ，F2=Fcosβ，在力的作用下越往下層β角越小，于是切向力越小，法向力越大[16]。杜邦公司開發的一種柔性防刺復合材料，由多層織物制成，其中至少有一層用聚對苯撐苯并噁唑纖維或聚對苯二甲酸丁二酯纖維織成的織物和一層用另一種聚合物形成的纖維網。發明者認為各種纖維最佳線密度為0.5 dtex至3.5 dtex，紗線最佳線密度為220 dtex至1 700 dtex，否則影響防刺效果。在世界專利中，杜邦公司提供了一種高密度的機織芳綸織物，該織物能防護尖銳物體如錐子等的刺傷，使用的芳綸絲細度低于500 dtex，紗線強韌性高于30 J/g，紗線中纖維細度低于1.67 dtex[17]。

圖5 多層復合受力分析

圖6 多層織物變形示意圖

4 防刺相關標準

許多國家和地區都制定有各種不同的防刺性能測試標準[18]。美國司法部制定的NIJ Standard—0101.06《Ballistic Resistance of Body Armor》和英國Home Office Scientific Development Branch《Body Armour Standards for UK Police(2007)》是目前比較通用的防彈衣和防刺服標準。除此之外，還有歐洲標準化委員會制定的防刺性能測試標準ISO/FDIS 14876《Protective Clothing Body Armor》和德國的《German Schutzklassen Protectivevests Bullet Resistant Vests with Stab Protection》以及我國GA 68—2008《《防刺服》標準等。

5 發展趨勢

隨著社會經濟的發展進步和人們安全意識的不斷提高，防刺類產品的研究與開發得到了越來越多研究人員的關注，傳統的金屬類鎧甲裝備或金屬材質的硬質防刺材料會逐步被市場淘汰。一面功能，一面輕質，個體防刺裝甲在滿足保護人體抵御利器等尖銳物體傷害的基礎上，還要滿足人體穿著的舒適性。目前硬質防刺裝甲材料逐漸被半硬半柔質防刺材料所取代，但在質量和穿著舒適性方面仍然存在諸多不足，應用范圍亦會越來越小[19]。

現有產品在滿足防刺性能的基礎上不具備防彈性能，防彈裝甲亦不具備防刺性能，在特殊場合中兩套裝甲的重疊使用會增加人體負重和穿著舒適性[20]。如何在節約成本的基礎上，開發出既能防彈又能防刺的多功能防護服裝是目前需要重點突破的方向。另外，隨著防護類產品在社會上的廣泛使用及更深入的了解，人們對防護用具在不同領域會有不同的有限防護需求，更進一步地追求穿著時的舒適性。