防彈頭盔材料技術專利技術發展分析

俞舟燕 劉開

摘要：防彈頭盔技術隨著材料技術的發展而發展，材料種類多樣，因此，對防彈頭盔的材料技術發展路線進行分析。

關鍵詞：防彈;頭盔;材料;路線

前言

現代材料技術基本可以分為兩大類，一類是材料種類，另一類是材料 工藝鋪設。對于材料種類，頭盔殼體所用材質有特種鋼、玻璃鋼、陶瓷、 增強塑料、酚醛樹脂纖維、尼龍纖維、復合纖維等。本文重點分析防彈頭 盔材料技術發展路線。

一、防彈頭盔材料技術發展路線

防彈頭盔材料技術發展并不是一蹴而就的，而是經歷了將近一個世紀 才發展到現在的水平。下面基于 SIPOABS 數據庫和 DWPI 數據庫的數據樣 本，從材料技術發展路線圖來分析一下防彈頭盔的技術發展歷史。

材料方面的改進大致分以下三個部分：第一材料種類，第二材料鋪層 方式和編織方式，第三輔助物如粘合劑的選擇，這三個部分在歷史發展中 基本是并列進行，當然只有當出現了層疊結構后，才出現材料鋪層方式和 編織方式，輔助物如粘合劑的選擇方面的改進。

關于材料種類方面：從圖 1 中可以看出，在 1915 年，首次出現關于防 彈頭盔材料是金屬的專利申請，該申請是英國申請人 FAVRE MAURICE CONSTANT 申請的，技術方案是關于防彈頭盔的外形即宏觀結構，但是有 提及盔體采用鋼合金制造。這正好印證了 1914 年的“鐵鍋”頭盔拉開防彈 頭盔的序幕。在 1920，1938，1943 年均出現了類似的申請，主要是法國、 美國和日本以及英國的申請，其制作材料均是金屬或皮革;直到 1972 年，美國申請人（FELU） FELDMUEHLE ANLAGEN & PRODN 申請了一篇名為 防彈面罩的專利，其公開了在鋼盔上覆蓋陶瓷層以提高防彈性能，這是防 彈頭盔領域從單一金屬轉向多層結構的轉折點;緊接著，1973 年，還是美 國申請人（GOOD-I） GOODING E R 申請的關于防彈頭盔的專利，該頭盔 由內到外包括一個塑料制作的外殼，一個多層編織的防彈尼龍襯套，以及 一個聚氨酯泡沫層，這應該是防彈頭盔由金屬材料轉而向非金屬材料復合 材料轉變的標志申請;1979 年，法國申請人（GIRA-I）GIRARD R 在關于 防彈頭盔的專利中公開了兩個剛性陶瓷層中間包括一層彈性泡沫層和一層 kevla 纖維層，這也印證了上世紀 80 年代以前，各國步兵裝備的頭盔主要 是用高錳鋼或其他特種鋼沖壓而成，這種頭盔較重，防彈和隔熱性能差，佩戴不舒適，還有二次破片傷人的危險。美軍于 1978 年開始應用凱夫拉纖 維研制防彈頭盔，1983 年開始裝備部隊，北約軍隊也廣泛裝備此類頭盔。凱夫拉頭盔防彈能力強、重量輕，但價格較高;1982 年，德國申請人 （HPSH-N） HPS-HILDEBRANDT GES 公開了一種玻璃層和聚碳酸酯層制 造的頭盔，1984 年申請人（INNE-N） MIN INNERN DDR 公開的防彈材料中表明剛性脆性的材料可以是氧化鋁陶瓷，氧化鐵陶瓷、玻璃陶瓷等;同?年，日本申請人（SHIR-N） SHIROYAMA SEISAKUSHO KK 公開了頭盔防 彈基板至少是八層織造的聚酰胺纖維;1985 年申請人意大利申請人 （NOLS-N） NOLSA SRL 公開了防彈頭盔可以是鎂鋁合金或鈦合金或鋼合 金外層，浸漬了熱固性樹脂基的玻璃纖維或聚酰胺纖維或芳族聚酰胺纖維 內層;之后有很多采用芳族聚酰胺和其他材料復合的復合材料的出現，如 2001 年芳族聚酰胺纖維和尼龍復合，2009 年芳族聚酰胺纖維和超高分子量 聚乙烯、聚乙烯復合，2012 年芳族聚酰胺纖維和玻璃纖維復合;1986 年德國 申請人（TWEL-I） TWELENKAMP J 公開了一種由連續的玻璃層組成的防彈 材料;1989 年荷蘭申請人（STAM）DSM NV 公開了一種層狀結構，金屬外層，聚合物纖維增強層，中間是改性聚丙烯;1998 年也有相關專利公開多層結構，金屬外層，基于聚合物的彈性中間層，以及包括超高分子量聚合物浸漬聚合 物樹脂的內層;2011 年美國申請人（KINE-N） KINETICA INC 提出了一種三 層的防彈結構，并強調最內層不會變形以防止變形損傷到使用者頭部;關于材料鋪層和編織方式：1982 年，日本申請人（SUMB）SUMITOMO?BAKELITE CO 公開了一種至少一層是機織織物或非織造織物或墊塊，在材?料的形式上進行了改進和限定;1987 年荷蘭申請人（OREG-N） OREGON?ETAB 公開了一種多層結構，相鄰層之間采用縫合技術的防彈材料;1988?年美國申請人（ALLC） ALLIED-SIGNAL INC 公開了一種防彈材料內部的?相鄰單向纖維層按照不同角度嵌入聚合物網格的材料結構;同年年荷蘭申?請人（STAM） STAMICARBON BV 公開了一種連續的層狀結構，沒有任何?切割點;2000 年日本申請人（BLAN-I） FERRE BLANQUEZ J 提出了一種?芳族 聚 酰胺條帶層 ，并聯鋪設 ;2008 年俄 國 申請人（ARMK-R ） ARMKOM-CENT SCI PRODN ENTER 提出的防彈結構中芳族聚酰胺纖維每?層的方向均不同;同年，美國申請人（KOCH-I）KOCHER R W 和（GREE-N） GREENHILL ANTIBALLISTICS CO 均提出同一層有不同的厚度以應付形變?并于 2011 年（GREE-N） GREENHILL ANTIBALLISTICS CO 再次對該技術進?行了改進;2011 年韓國申請人（KOLO） KOLON IND INC 提出多層防彈結構，均為單向纖維，相鄰纖維的方向不同;2012 年韓國申請人（KOLO-N）KOLON IND INC 又提出了一種網格織物，第一織物采用經紗，第二織物采用緯紗;關于輔助材料粘合劑的選擇和改進方面：1990 年美國申請人（ALLC） ALLIED-SIGNAL INC 提出一種層狀結構，相鄰層之間涂覆低模量彈性樹?脂，既提高黏合強度又不損失防彈性能，其在防彈材料的粘合劑上進行了?改進;1993 年日本申請人（SUMB） SUMITOMO BAKELITE CO LTD 公開了?一種樹脂，其包括聚乙烯醇縮丁醛和酚醛塑料樹脂，織造的芳族聚酰胺纖?維浸漬在該樹脂中;1995 年羅馬尼亞申請人（TIFF-N） TIFFANY'S GH?IMPEX SRL 公開的織物浸漬的是乙醇、甲醛樹脂和聚乙烯醇縮丁醛樹脂;1996 年美國申請人（SAFA-N） SAFARILAND INC 公開了一種防彈結構，其不但用任何粘合劑或樹脂材料;2000 年美國申請人（EXON-N） EX ONE?CORP 公開了一種能量吸收材料，其可通過工藝改變其化學鍵以改變其性?質;2010 年美國申請人（THLS） THALES 在樹脂上又予以改進，增加了改?性樹脂以增強韌性。

二、結語

至此，從上面的分析可以看出，材料的技術發展在材料種類方面從最 初的金屬到非金屬再到復合材料，出現層疊材料之后，本領域技術人員從 材料鋪層和編織方式予以改進，有層疊間隔，單向纖維，織造或非織造纖 維，預浸漬，相鄰層方向不同，層疊層連續結構無褶，相鄰層縫合等，層 間粘合劑樹脂的選擇也緊隨其后予以改進，用低模量粘合劑涂覆，改性樹 脂或不同粘合劑以使層間保持一定的滑動以增加抗彈性能。從整個技術發 展的路線來看，材料越來越趨向多樣化，不同材料根據其不同化學性質的 復合或組合以實現所需的防彈功能是整個路線研究的重點，歷史發展時間 最長，關于輔助材料的改進是近二十年才開始研究。

參考文獻：

[1]曾毅，趙寶榮. 新材料新工藝新技術叢書，北京：國防工業出版社，2014

[2]侯寧波.基于人性化基礎上的軍用頭盔設計[D]. 西南交通大學 2013