毛利洲 馬巖 嚴雪峰 沈岳 管鈺澤

［1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2.賽立特（南通）安全用品有限公司，江蘇南通，226000］

近年來，恐怖分子的暴力襲擊活動時有發(fā)生，國內(nèi)外的反恐形勢日益嚴峻，因此許多國家和地區(qū)都制定了嚴格的槍支管制條例，大大降低了槍擊案件的發(fā)生［1］22。然而，刀具作為日常用品難以管控，就成為了恐怖分子的主要作案工具。同時在很多犯罪案件中，刀具也是犯罪分子致人傷殘甚至死亡的重要作案工具。在我國，刀具襲擊已經(jīng)嚴重威脅到了人民群眾的生命財產(chǎn)安全。據(jù)公安部統(tǒng)計，近10年內(nèi)共有3 773名警察因公犧牲，5萬余名警察因公負傷，其中刀具等的刺入傷害占據(jù)著一定的比例。因此，加強對高性能防刺材料的研究和開發(fā)具有重要的意義。

1 防刺材料的分類

防刺材料最初是采用鋼片、鈦合金片、高強度鋁合金片等金屬類硬質(zhì)材料，隨后發(fā)展為工程塑料片、陶瓷片、樹脂片、超高分子量聚乙烯纖維和對位芳香族聚酰胺纖維織物等非金屬材料［2］。目前，按材料的柔軟度和服用的舒適度可將防刺材料分為硬質(zhì)防刺材料、半硬質(zhì)防刺材料和軟質(zhì)防刺材料。

1.1 硬質(zhì)防刺材料

傳統(tǒng)的硬質(zhì)防刺材料主要是采用具有整體造型的金屬類防刺插板，類似于古代的作戰(zhàn)盔甲。宮政仿照自然界中殼類的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，采用3D打印-激光燒結(jié)技術(shù)加工制備了一種微蛋殼結(jié)構(gòu)的防刺基板，可以有效地削減刀具的破壞［3］。袁夢琦等人基于仿生學(xué)原理，參考了穿山甲、鱷魚、蜥蜴等自然界生物麟甲的形態(tài)結(jié)構(gòu)，設(shè)計出了一款三棱錐結(jié)構(gòu)的鈦合金基板，如圖1所示［4］。三棱錐結(jié)構(gòu)相較于平板結(jié)構(gòu)能夠更有效地分散刀具的沖擊力，避免動能的集中破壞，從而達到更好的防護效果。而采用改進型鈦合金（TC611）材料相較于傳統(tǒng)的硬質(zhì)金屬防刺材料，其耐沖擊韌性更好，質(zhì)量更輕。

圖1 三棱錐結(jié)構(gòu)防刺基板

人體穿著硬質(zhì)防刺材料后通?；顒邮芟?，為了增加運動的靈活性，硬質(zhì)防刺材料也會采用甲片式的結(jié)構(gòu)造型。于春玲等人同樣是利用仿生學(xué)研制出了一款近似魚鱗狀的防刺甲片，與傳統(tǒng)的整塊金屬類防刺材料相比，其彎曲性能和靈活性能都有了一定程度的提升［5］。

1.2 半硬質(zhì)防刺材料

早期的半硬質(zhì)防刺材料主要是將金屬材料或者陶瓷等硬質(zhì)材料與高性能纖維復(fù)合。為了減輕人體穿著的負荷，通常也會采用金屬絲或者薄型金屬片與纖維復(fù)合。美國Criminology公司制造了一款由對位芳綸（凱夫拉）和玻璃纖維制成的防刺服，其表面采用不銹鋼網(wǎng)、鈦絲或者鈦等輕質(zhì)金屬薄片，提高了材料的防刺性能［6］。

為了進一步減輕防刺材料的質(zhì)量和厚度，研究人員開始嘗試在織物上涂層制備防刺材料。強桂燕等人采用熱壓工藝將碳化硅顆粒涂覆于滌綸織物上［7］。夏民民等人將碳化硼粒子與環(huán)氧樹脂混和后再涂覆制備了防刺織物［1］23。通過準靜態(tài)穿刺試驗發(fā)現(xiàn)，與未添加碳化硼的涂層織物相比，添加碳化硼的涂層織物防刺性能提升了4.28倍。通過涂覆硬質(zhì)粒子工藝可以在滿足防刺標準的前提下顯著減少織物厚度及其質(zhì)量，但織物的透氣透濕性下降，易引起穿著不適感。

為了改善織物的透濕透氣性能，馬飛飛提出了一種新工藝，將樹脂薄片按照設(shè)計圖案黏結(jié)在基布表面，制備了離散樹脂成型復(fù)合材料，如圖2所示［8］。通過穿刺試驗發(fā)現(xiàn)，4層離散樹脂成型復(fù)合材料與40層疊層芳綸平紋織物的防刺性能相當。防護等級相同時，離散樹脂成型復(fù)合材料的厚度更薄，質(zhì)量更輕。透氣試驗表明，該復(fù)合材料的透氣性能較好，與日常穿著的服裝接近。但是這種貼片式的工藝也存在明顯缺點：一是難以保證樹脂片與基布的剝離強度，可能存在穿洗后的剝落問題；二是加工工藝較為繁瑣，生產(chǎn)效率較低，不易進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

圖2 離散樹脂成型復(fù)合材料

1.3 軟質(zhì)防刺材料

近年來，隨著新材料的開發(fā)以及人們對于穿著舒適性要求的提高，防刺領(lǐng)域的研究熱點逐漸向軟質(zhì)材料轉(zhuǎn)移，以對位芳綸和超高分子量聚乙烯為主的高性能纖維越來越多地被用于開發(fā)軟質(zhì)防刺材料。

單層柔性織物質(zhì)量輕、厚度薄，但防刺效果一般，通常需采用層疊方式提升其防護性能。雷鵬研究了超高分子量聚乙烯、對位芳綸（凱夫拉）以及高強滌綸織物不同層疊角度對織物防刺性能的影響，通過動態(tài)穿刺試驗發(fā)現(xiàn)：無論是超高分子量聚乙烯、對位芳綸還是高強滌綸織物，層疊角為45°時織物的動態(tài)防刺性能最好；超高分子量聚乙烯織物的動態(tài)防穿刺性能最好，高強滌綸織物次之，對位芳綸織物最差［9］。通過織物的層疊可以有效提升軟質(zhì)防刺材料的防刺性能，但細號高密織物的層疊限制了人體水汽蒸發(fā)，降低了人體穿著后的舒適感。王穎按照每6層超高分子量聚乙烯平紋織物中放置一塊粘膠非織造布的方式將24層超高分子量聚乙烯平紋織物與3層粘膠非織造布層疊，制備了一種柔性防刺材料［10］。經(jīng)過動態(tài)穿刺試驗發(fā)現(xiàn)，該材料的防刺性可滿足國家標準。粘膠非織造布的加入能夠提升材料的吸濕性，從而保證皮膚的舒爽感。通過層疊處理可以有效提高材料的防刺性能，但同時也增加了織物的厚度，影響了人體穿著后的運動靈活性。

為此，剪切增稠液逐漸在防刺領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，通過剪切增稠液的浸漬，材料的防刺性能能夠得到較大的提升。剪切增稠液由分散相和分散介質(zhì)組成，通過改變納米粒子的種類、尺寸及形狀等參數(shù)，可以降低防刺服的厚度，提高防刺性能，但對防刺速度要求過高［11］。

為了降低剪切增稠液的臨界剪切速率，提高材料的防刺性能，多相剪切增稠液開始受到人們的關(guān)注。GüRGEN Selim等人在硅和聚乙二醇基剪切增稠液中加入不同粒徑的碳化硅顆粒，制備了新型多相剪切增稠液［12］。王瑞等人通過對多壁碳納米管進行氧等離子體處理，促進剪切增稠作用，提高紗線間的摩擦力，使織物的失效模式由紗線滑移變?yōu)榧喚€斷裂，進一步提高了材料的防刺性能［13］。田明月以氣相二氧化硅和碳納米管為分散相，采用超聲分散法制備了多相剪切增稠液，與超高分子量聚乙烯浸漬制備防刺材料［14］。在剪切增稠液體系中加入碳納米管提升了多相剪切增稠液體系黏度和剪切應(yīng)力，縮短了增稠的周期，從而降低了體系的臨界剪切速率。

2 防刺纖維材料及其組織結(jié)構(gòu)

纖維是構(gòu)成軟質(zhì)防刺材料的主體，織物的防刺性能在很大程度上取決于纖維的機械性能，因此通常選用高強度、高模量的纖維制作。對位芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、PBO纖維等是常見的防刺用高性能纖維。

對位芳綸（凱夫拉）最早由美國杜邦公司研發(fā)，具有高強度、高模量、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性強等優(yōu)點，比強度是鋼的5倍至6倍，模量是玻璃纖維的2倍到3倍，是目前高性能纖維的代表［15］。超高分子量聚乙烯纖維憑借其高強度、高模量等優(yōu)異的力學(xué)性能，目前已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的防護用材料之一，其比強度是碳纖維的2.6倍，是芳綸的1.7倍［16］。PBO纖維的物理機械性能優(yōu)于對位芳綸、碳纖維和超高分子量聚乙烯纖維，其強度和模量是對位芳綸（凱夫拉）的2倍，是目前有機纖維中最好的，被冠以“纖維之王”的盛譽［17］。

纖維原料決定織物性能，而織物組織結(jié)構(gòu)以及制造方式對材料的防護性能也有一定的影響。顧肇文以超高分子量聚乙烯纖維為原料，采用不同組織結(jié)構(gòu)制備了織物。通過準靜態(tài)防刺試驗發(fā)現(xiàn)，單層的超高分子量聚乙烯纖維細號平紋織物防刺性能最優(yōu)，其次為無緯布，再次是粗號平紋織物，非織造布的防刺性能最差［18］。鄒畫眉等人研究了織物組織、織物緊度、面密度對超高分子量聚乙烯纖維織物防刺性能的影響，測試分析發(fā)現(xiàn)，平紋織物防刺性能最好，且織物防刺性能隨著織物緊度和織物密度的增加先增強后減弱［19］。MESSIRY M E等人研究發(fā)現(xiàn)三向織物承受載荷的方向為多軸向，可以吸收更多的能量，保證各方向受力均勻，與機織物和針織物相比，三向織物具有較好的防刺性能［20］。由于單層二維織物的防刺性能始終有限，通常采用層疊方式滿足其防刺性能。但是，二維層疊織物存在易分層、層間強度低的缺陷，通過在厚度方向引入紗線的三維織物可以克服二維織物層疊的缺點。鐘智麗等人制備了三維機織物并進行了動態(tài)穿刺試驗，結(jié)果表明，純?nèi)S機織物可以將刀尖刺入深度控制在7 mm以內(nèi)，雖然沒有達到國家標準，但相較于單層的二維織物，其防刺性能得到了較大的提升［21-22］。

3 防刺機理

對防刺機理進行研究有助于進一步提升材料的防刺性能。不同材料，其防刺機理也是有所差異的。對于硬質(zhì)金屬材料而言，其防刺機理主要是利用金屬材料的高硬度，在刀具穿刺的過程中鈍化刀尖，增大刀尖的穿透阻力，通過材料的變形吸收刀具能量，阻止刀具的刺入。

剪切增稠液復(fù)合材料的防刺機理主要是剪切增稠液的剪切增稠加強了紗線之間的摩擦作用，導(dǎo)致紗線難以滑移，使織物失效模式由紗線的滑移抽拔轉(zhuǎn)換成紗線的撕裂斷裂。另外，刀具能量可以通過剪切增稠液向周圍擴散，避免了動能的集中破壞。

硬質(zhì)粒子涂層使紗線難以滑移，增加了紗線與刀具的摩擦，硬質(zhì)粒子鈍化了刀尖和刀刃。刀具能量轉(zhuǎn)換成涂層開裂、剝離和紗線抽拔、斷裂。

對于陣列排列的樹脂基體，其防刺機理可以看成是前幾者的綜合，如圖3所示。當?shù)都饴溆跇渲虚g部位時，柔性基布向下彎曲，相鄰樹脂片閉合，避免刀尖滑移至間隙。當?shù)都饴溆跇渲吘?，樹脂片向靠近刀尖一?cè)傾斜并實現(xiàn)閉合。只要刀尖落于樹脂片上，硬質(zhì)的樹脂片都起到鈍化刀尖、阻止刀具深入的作用。當然，基布的拉伸變形也會吸收一部分刀具能量。當?shù)都饴溆跇渲拈g隙時，隨著刀具的深入，刀具逐漸變寬直至大于間隙寬度，此時相鄰樹脂片向內(nèi)傾斜并鎖住刀尖，刀尖越深入阻力越大。此時，刀具和相鄰樹脂片之間的相互摩擦作用以及基布的拉伸變形可以消耗刀具的動能。

圖3 穿刺示意圖

4 防刺相關(guān)標準

防刺標準是進行測試、評判材料防刺性能的重要依據(jù)，不同的防刺產(chǎn)品（防刺服、防刺手套），其測試方法和性能要求各異。

對于防刺服裝，英國2017年頒布了最新的HOSDB《防彈衣》標準，將刀具定義為兩類：帶刃刀具（單刃刀和雙刃刀）和帶尖刀具。刀具以不同的動能和刺入角度作用于防刺材料，根據(jù)刀具能否刺入和刺入的深度來劃分防護等級。2000年，美國頒布了NIJ Standard—0115.00《防刺衣防刺性能測試》，該標準基本與英標相似［23］。除此之外，還有歐洲標準化委員會制定的ISO/FDIS 14876《防護服 防彈衣》以及我國的GA 68—2019《警用防刺服》［24］。對比國內(nèi)外防刺服標準，最大的差別在于：我國標準規(guī)定防刺服測試后不能出現(xiàn)刀具穿透，而國外標準中普遍允許防刺服有7 mm的穿刺距離。

對于防刺手套，國內(nèi)還沒有見到行業(yè)和國家標準，目前普遍采用歐標BS EN 388—2003《防止機械風(fēng)險的保護手套》，該標準涵蓋了手套的4種機械性能，包括耐磨、抗割、抗撕裂以及耐穿刺。

5 結(jié)語

隨著時代的發(fā)展和人們安全防范意識的逐步提升，個體防護產(chǎn)品的需求量將會進一步增長。對于防刺裝備的性能，人們也提出了更高的要求：不僅要達到防刺標準，還要兼顧穿著舒適性和運動靈活性。硬質(zhì)防刺材料雖然有著優(yōu)異的防刺性能，但始終難以克服質(zhì)量重、穿著不舒適等問題。軟質(zhì)的高性能纖維防刺材料，需要經(jīng)過層疊、涂層或者樹脂浸漬處理才能滿足防刺要求，影響了材料的透濕透氣性能、舒適性能以及靈活性能。對于陣列排列的樹脂基體材料，只需要較小的層數(shù)即可滿足防刺要求，同時也不會影響材料的透氣性以及穿著的舒適性和靈活性，具有廣闊的應(yīng)用前景，但也存在一些問題，例如樹脂基體與基布復(fù)合成型工藝還不夠完善，樹脂基體的小尺寸、高硬度、低厚度目前難以實現(xiàn)等，需要研究者們繼續(xù)努力。