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减少防弹衣非贯穿性损伤的方法探讨 林兰天周静 ( 上海工程技术大学，上海，2 0 0 0 6 5 ) 摘要：简述非贯穿性损伤的危害和防弹衣缓冲层的作用，介绍了自行制作的芳纶橡胶布和针刺羊毛毡作缓冲层的实弹射击效 果，分析两种缓冲材料抵抗非贯穿性损伤的作用机理。 关键词：芳纶非贯穿性损伤海普隆羊毛毡防弹衣 中图分类号：佟9 4 1 7 3 3 5 文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 1 2 0 0 4 ) 0 6 0 0 8 7 0 3 防弹衣的作用旨在抵抗枪弹、弹片的贯穿性损 伤和防止人体器官组织遭受非贯穿性损伤，非贯穿 性损伤( N o n P e n e t m t i n gT r a u m a ，简称N P T ) 是指子弹 或弹片虽未射穿防弹衣，但在人体防护部位造成的 伤害，例如：皮肤挫伤、开裂，骨折、肋骨软组织挫伤 出血，心内膜下心肌出血，肺表面渗血、出血，严重时 出现肺裂伤，形成气胸、血胸，这种损伤严重时可 以致命。充分发挥防弹衣的抗弹救生作用，减少防 弹衣的N 胛已越来越被研究人员所重视。 当前，世界上防弹衣缓冲层的设计变化很快，曾 先后推出了多种防弹衣抗N P T 的专利或方法。有 人曾在硬性防弹衣背面垫数层芳纶织物作为缓冲 层；也有人用高分子聚乙烯( D Y n e e m a ) 纤维制作缓冲 层；还有人用半硬性聚碳酸酯塑料片、泡沫塑料片、 芳纶非织造布、芳纶针织布、尼龙织物等制作缓冲 层。这些材料各具特色，也各有局限性。本文在 此基础上，主要就防弹衣缓冲层的设计、实践进行了 一定的探讨。 l 防弹衣缓冲层的设计思想与制作 一般用以减少N 阳的防弹衣缓冲层要满足以 下要求：1 ) 能迅速扩散滞留在抗弹层内子弹所传递 的剩余冲击能；2 ) 能较大面积地迅速吸收或转化剩 余冲击能，尽可能减少缓冲层贴身部位物料的应力 集中与局部变形；3 ) 质地柔软，透湿透气；4 ) 重量轻， 价廉耐用。 基于以上要求，分别采用海普隆( 氯磺化聚乙 烯) 涂层的芳纶织物橡胶布和针刺羊毛毡做缓冲层， 比较缓冲性能、分析缓冲机理。 1 1以海普隆涂层的芳纶机织物制作缓冲层 海普隆( 氯磺化聚乙烯) 系橡胶状弹性体，其化 学结构如图1 所示。为单键连接的结构，化学稳定 性好，具有良好的耐气候性、耐臭氧性、耐老化性，弹 性良好，耐挠曲性、耐磨性也较好。 H H 一( 一c H ：一c H 2 一c H ：一÷一c H 2 c H 2 一c H 2 一) ”一 c 1 j o ， C l 图1 氯磺化聚乙烯分子结构式 由于氯磺酸基的活性，使该聚合物对极性材料 和非极性材料均具有良好的粘结性心o ，芳纶的比模 量大，其机织物具有吸收冲击能力强，传递应力波速 度快，密度低等特点，已是常规防弹衣选用的材料之 一。这里试验所用的橡胶布底布为1 2 2t e x 芳纶无 捻长丝制成的平纹织物，经纬密度均为1 2 0 根1 0c m 。以芳纶机织物为底布，使用海普隆涂层硫 化后制成的橡胶布能保持海普隆和芳纶原有的优良 特性，在受子弹冲击时，能以较大面积快速吸收剩余 冲击能，作为防弹衣的缓冲层在衣着上无大碍。经 初期实验分析，选择了涂层厚度为0 6 O 8m m 的 双面涂层的橡胶布做防弹衣的缓冲层，确定了0 层、 2 层和4 层橡胶布3 种比较方案。 1 2 以针刺羊毛毡制作缓冲层 在工业上，针刺羊毛毡常被用做减震缓冲材料。 含有鳞片特征的羊毛具有较好的耐气候性和耐挠曲 性，其弹性和弹性回复性也特别好。羊毛毡内的羊 毛彼此纠缠抱合，杂乱无章，在平面上呈各向同性， 在受到冲击时，能量可以均匀地向四周传递，并在较 大面积上产生一定量的急缓弹性变形，快速消耗、吸 收冲击能，不易应力集中。羊毛毡质地柔软，面密度 较橡胶布轻，但不耐水蒸气、易吸潮。这里的实验分 别选择了4m m 和9m m 厚的2 种羊毛毡，确定了 4m m 的2 层和9m m 的1 层2 种比较方案。 2 实验结果分析与作用机理探讨 国际上，检测防弹衣抗N 肼能力的方法一般是 在紧挨防弹衣背面安置1 0c m 厚的、具有一定软硬度 的软性肥皂或粘土衬垫体，射击后测定衬垫体中肥 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 【8 8 】 纺织学报 2 0 0 4 年第6 期 皂或粘土的凹陷最大深 度，有时还检测凹陷最大 直径。凹陷深度越浅，直 径越大，防弹衣抗N P r 能力 越强。美国的N I JS t d 0 1 0 1 0 3 警察防弹背心标 准规定防护后肥皂或粘土 凹陷深度不能超过 4 4 4 5m m 。近年，德国、荷 防弹织物缓冲层粘土层 图2 样靶结构截面图 兰等欧洲国家及北大西洋公约组织已将此标准提高 到2 0m m 。本实验采用具有一定弹性的粘土层为 衬垫体，样靶的结构见图2 。对比试验的实弹射击 采用国产5 4 式手枪，子弹直径7 6 2m m ，弹头重5 5 g ，子弹初速约为4 0 0m s 。在室内标准靶场以5m 距离垂直直射样靶。 2 1 芳纶橡胶布缓冲层的效用与作用机理 试验用的防弹衣样靶尺寸为2 0c m ×2 0c m 、总 层数为3 6 层( 防弹层+ 缓冲层) ，具体对比方案与试 验结果见表1 。 表1 芳纶橡胶布缓冲层试验结果对照表 弹着点粘 序号试验方案土最大坑深 ( m m ) 弹坑直径射击后最后 ( m m )几层织物的形状 从表1 可见，方案1 的弹着点粘土凹坑最浅，仅 为方案3 的4 8 ，该值甚至低于目前欧洲国家制定 的防弹衣抗外伤深度的标准。 作为多层织物构成的样靶，当子弹击中后，、冲击 能沿平行与垂直子弹飞行方向在织物上迅速传递， 首先是第一层织物的弹着点周围的经纬纱瞬间产生 变形、伸长、抽拔、摩擦，稍稍消耗子弹的一点冲击 能，此时在小于或等于子弹截面的弹着点上的经纬 纱受到的冲击和产生的伸长最大，若其超过了纱线 的强度与伸长极限，纱线即断裂，弹头穿透该层织 物；若织物的经纬向紧度较小或弹着点处的经纬纱 易于抽拔( 如纱间摩擦力偏小) ，则弹头有可能拨开 经纬纱，穿越此层，直接撞击第二层织物。 同时，由于冲击波的传递，在大于弹孔直径数厘 米( 约4 6c m ) 的直径范围内，经纬纱会以某种分布 产生不同的伸长，以邻近弹着点的纱伸长为最大( 约 3 ) 。产生伸长的经纬纱范围愈广，伸长量愈大，经 纬纱间产生的相对摩擦也愈剧烈，它表明该织物吸 收子弹能量的有效面积大，各层织物消耗子弹的动 能多，其抗穿透能力强。在沿子弹前进方向上，此时 也同步产生冲击能的传递，使受冲击的织物产生横 向偏转H 。，即变形。由多层织物构成的抗弹系统，其 第一层织物的横向偏转特性会在纵向能量传递过程 中相继发生在以后的各层里，只是传递的能量与偏 转量大小有所差异，偏转最终形成织物外凸的结果， 相应在试验用的粘土上留下不同形状的凹坑，常见 有近半球状、奶嘴状、帐篷状等形状，见图3 。 凹坑最大深度 凰羽塑 近半球状凹坑帐篷状凹坑奶瞩状凹坑 图3 射击后样靶背面粘土凹坑形状截面示意图 弹着点织物的横向偏转的实质是织物以塑性 变形来消耗子弹冲击能。此偏转量的大小与诸多因 素有关，如纱线与织物的性能、织物层数、子弹冲击 能、样靶的构成及样靶后垫物的软硬度等。而样靶 最外层的横向偏转量与本文最关注的抗外伤深度直 接相关。 实践证明，经涂层、高温高压硫化后的橡胶布， 织物上各组织点缝隙填满橡胶粒子，彼此间产生“软 性”固结。当平行于子弹前进方向的冲击能逐层传 递至橡胶布时，由于涂层后经纬纱被固结，子弹冲击 点及延伸区域里的纱线彼此抽拔较难，只能集体产 生伸长、变形，扩展了织物吸收能量的有效面积，抑 制了织物横向偏转量。最终反映在最外层橡胶布的 外形凸状较弱，粘土上的凹坑较浅。对于只有2 层 的橡胶布样靶，由于抑制织物横向偏转的能力相对 较弱，橡胶布本身的强力也较低，故最外层橡胶布会 出现崩裂现象，粘土上的凹坑相对深一点。而全部 是芳纶织物构成的样靶，最外层织物的横向偏转量 得不到相应的抑制，其粘土上的凹坑相对可观些。 可见，以海普隆涂层的芳纶橡胶布用作防弹衣 的缓冲层，只要涂层厚度、橡胶布层数选择适当，是 能起到良好的缓冲作用的，抗外伤深度可以大大降 低，能符合圜际公认标准。 2 2 针刺羊毛毡缓冲层的效用与作用机理 试验分别选用了双层4m m 厚的纯羊毛毡和单 层9t 砌厚的纯羊毛毡作为缓冲层。样靶的防弹织 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 2 0 0 4 年第6 期 纺织学报 【8 9 】 物和射击条件同前，具体试验方案与效果见表2 。 表2 针刺羊毛毡缓冲层的试验结果对照表 表2 的数据表明：采用羊毛毡为缓冲层，弹着点 粘土坑深2 0m m ，同样能起到良好的缓冲作用，符 合国际公认标准。 1 、2 两个样靶经弹击后，最外缓冲层的外形均 为圆弧形，没有突变性变形，它表明羊毛毡能在较大 面积上较均匀地吸收子弹冲击能；该试验未发现最 外层毡的崩裂现象也说明了针刺羊毛毡的各向同性 有利于减少弹着点缓冲层的应力集中，避免了结构 损坏。 文献 5 提到：机织物上纱线交织点会对子弹冲 击后产生的应变波予以反射，若反射波振幅与原始 应变波的振幅同向，应变波叠加，容易造成纱线过度 伸长而断裂；而对于针刺羊毛毡，元纱线交织点，几 乎没有应变波的固定点反射，而在纤维的自由末端 处，其反射波的振幅和原始应变波的振幅方向相反， 两者振幅相互抵消，纤维也不会发生过度伸长。 羊毛毡这种良好的缓冲效果还可归功于它在弹 着点所表现出来的整体变形。羊毛毡上的羊毛具有 良好弹性和伸长，纤维排列杂乱无章，彼此紧密缠 结，若羊毛毡上某点受冲击，瞬间就会牵动毡面上的 千千万万根羊毛受力、压缩、拉伸( 抽拔) 、摩擦，吸收 剩余冲击能，最终在毡面上表现为整体变形。这种 点上受力，牵动面上纤维变形与受力，完全有别于机 织物的经纬垂直双向受力，其冲击能的传播也呈发 散型，抑制了羊毛毡的横向偏转力度，最终表现为外 表呈明显的圆弧曲面的粘土凹坑，实现良好的缓冲 效果。这也就解释了为什么用羊毛毡做缓冲层时没 有突变性变形( 如奶嘴状) 或崩裂现象。 3 结论 理论与实践都证明，制作防弹衣时一定要考虑 设计可减少子弹( 或弹片) 非贯穿性损伤的缓冲层。 采用海普隆涂层的芳纶橡胶布或针刺羊毛毡作防弹 衣的缓冲层，只要层数与厚度设计恰当，均有明显减 少非贯穿性损伤的效果，抗外伤深度可达到国际公 认标准。 参考文献 l 张均奎等B P u I 、型防弹背心效果的实验研究兵工学报， 1 9 9 4 ( 1 ) ：9 4 2 上海市化轻公司化工产品应用手册上海：上海科学技术出版 社。1 9 9 5 ：9 0 6 9 0 7 3P r o t e c t i v eG a m l e n t s U S P a t e n tN o 4 7 7 4 7 2 4 1 9 8 8 一l O 4 P h m pM C u n n i f f A nA n a l y s i s0 ft h eS y s t e mE f k c t si nW o v e nn l b r i c s U n d e rB a l l i s t i cI m p a c t T e x t i l eR e s J ，1 9 9 2 ( 9 ) ：4 9 8 5 周秀会防弹衣的发展与现状产业用纺织品，1 9 9 6 ( 6 ) ：9 欢迎订阅2 帅5 年印染 印染是经国家科委批准发行，由上海纺织控股( 集团) 公司主管，上海市纺织科学研究院、全国印 染科技信息中心主办，中国纺织信息中心、全国印染科技信息中心联合出版的全国性染整专业科技情报 刊物，印染曾多次被原纺织工业部评为优秀科技期刊。作为国家中文核心期刊，2 0 0 3 年1 月，在国家 新闻出版总署联合国家科技部组织的我国期刊界最高奖项“第二届国家期刊奖”评选中，印染荣获“第 二届国家期刊奖百种重点期刊”殊荣。 印染主要报道印染工业科研技改成果、生产技术经验及国内外印染科技发展和产品信息，辟有研 究报告、生产技术、测试与标准、讲座、述评、染料与助剂、技术交流、国外染整科技、要闻链接、染苑精萃、 问与答等栏目。读者对象为纺织印染行业的工厂、科研院所的科技人员、管理人员，大专院校师生，以及 染化料助剂、印染机制、仪器仪表检测等相关专业及纺织品贸易部门技术、管理人员。本刊1 9 9 8 年起已 入编万方数据资源系统( c h i n a i n f o ) 数字化期刊群网。 2 0 0 5 年印染仍为半月刊，每月1 日和1 5 日出版，定价每期1 2 元，全年2 8 8 元。欢迎广大读者订 阅，本刊国内外公开发行，国内邮发代号4 2 2 0 ，全国各地邮局均订阅。凡因错过当地邮局订阅的读者， 可直接向本编辑部索取订单。 编辑部地址：上海市平凉路9 8 8 号 邮编：2 0 0 0 8 2 电话：0 2 1 5 5 2 1 3 4 9 4 5 5 2 1 1 1 3 7 5 传真：0 2 1 - 5 5 2 1 3 6 8 1 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark