[综述]新军事发展管窥系列之———防弹衣

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导读:对军用防弹衣的现状包括材料等,以及最新的发展进行了简要介绍

(写文章动不动就叫个什么“系列”,恐怕不是什么好习惯,特别是对于象我这样的非专业人员。更何况我只是想写一些独立成文的帖子和大家交流一些军事方面的新发展,也没有准备定期发表。不过考虑到想让这些文章都具有文献资料综述和个人观点阐述相结合的共同特点,还是把“系列”两个字加了上去。尽管有很多自己的观点在其中,但毕竟是文献综述,所以不敢申请原创,如果大家对每一篇的论题都感兴趣并热烈讨论,那将是我最大的满足)


[face=黑体]防弹衣是一个大家都耳熟能详的名词,从古代盔甲开始的单兵防护装备也是一个很普通的概念。但大多数人对防弹衣的了解还只是停留在一般性的层次上,对其机理、作用、现状和未来发展等方面还存在许多疑问甚至误区。本文试图通过对相关文献资料的组织和说明,使那些没有太多机会深入了解防弹衣的人能够看到一个比较全面和比较专业的介绍。同时,通过对防弹衣现代技术发展特别是新型高科技材料的发展来证明防弹衣也是新军事技术发展和革命的一部分。

防弹衣是“能吸收和耗散弹头、破片动能,阻止穿透,有效保护人体受防护部位的一种服装”。可以说是现代单兵防护系统中的一个重要的部分。按目前使用的材料可分为软体、硬体和软硬复合体三种。软体防弹衣的材料主要以具有极强能量吸收能力的高性能纺织纤维为主,一般采用纺织品的结构,因而又具有相当的柔软性。硬体防弹衣则是以特种钢板、超强铝合金等金属材料或者氧化铝、碳化硅等硬质非金属材料为主体防弹材料。软硬复合式防弹衣的柔软性介于上述两种类型之间,它以软质材料为内衬,以硬质材料作为面板和增强材料,是一种复合型防弹衣。

防弹衣最主要的功能就是防止枪弹和炮弹碎片穿透,从而保护人体免受伤害。硬体防弹衣主要通过将来袭的枪弹和弹片弹开同时将来弹所带的动能分散开来保护人体,优点是防弹性能好、使用寿命长、经济性高,缺点是沉重、隔热和贴身等方面的服用性能差;而软体防弹衣主要通过纤维对来弹能量的吸收达到阻止贯穿和分散能量的作用,优点是服用性能好、适用范围广,缺点是防弹性能较差、使用寿命有限且新型纤维材料价格较高;软硬复合式防弹衣则兼有上面两种防弹机理,在试图结合两方面优点的同时也继承了两者的缺点,只有到新型高科技材料得到应用的时候,复合式防弹衣才展现出强大的生命力。

有人认为防弹衣是古代盔甲的现代版。从重要的个人防护装备这个角度看,防弹衣似乎和古代盔甲是一脉相承的,但我个人认为防弹衣和盔甲是完全不同的两个概念。区别的关键就是防弹衣首先是一种服装,它必须在具备基本服用功能和战场服用功能的基础上来完成防弹功能;盔甲是专用的防护装备而不是服装,它可以单纯追求防护功能而几乎不用去考虑任何服用的性能(除了不能超过人或马的体能极限和考虑一定的装饰作用外)。

还有人认为防弹衣能防住任何枪弹对全身的威胁。其实它的目的是提高战斗人员的生存概率,而不是完全和万能的保护。防弹衣主要防护人体心、肝、脾、肺、肾,有的还包括颈项及裆部等致命器官不受高速破片、枪弹的伤害,且以前身作为防护的重点;不同的防弹衣有不同的防护等级,在保护区域以外的地方以及被高于其防护级别的枪弹击中的情况下,防弹衣就没有多大作用了。追求防弹衣成为具有金钟罩铁布衫一样的万能防护是不现实的。甚至由于产品存在一定的不良率以及影响枪弹不稳定的因素的影响,防弹衣在标准的检测范围内作到对相应等级的枪弹进行100%的防护也是不现实的。

在警用和特殊岗位的服装中还有防刺服,很多人以为防弹衣能防弹,对刺刀、匕首的穿刺威胁就更没有问题了,或者对装备防弹服的敌人不能进行白刃战了,这也是一个误区,尽管软质防弹衣都有一定的防刺效果,且目前国内外正研究防弹与防刺效果兼备的产品,但要想防穿刺效果达到防刺服的标准规定,则只能选择专门的防刺服。因为枪弹对防弹衣的冲击与利器的劈砍及冲击作用机理不一样,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分散或消耗掉,而刀对防弹衣的穿刺主要靠剪切原理,能量分散范围比较窄,特别是头部较尖的刺刀更不容易防住。

另外一种误区是用两种极端的眼光来看待防弹衣,其一是认为质量轻的软质防弹衣最好,应该把沉重的硬质防弹衣淘汰掉;其二是认为硬质防弹衣不存在使用寿命的问题,稳定耐用,同时硬质防弹衣便宜,是同等软质产品价格的一半以下,军队(特别是经费紧张的中国军队)应该选择硬质防弹衣。这两种都是片面的认识。软质防弹衣重要的设计指标包括防护面积或保险系数(保险系数大的产品有足够的能力来防止因使用时间的延长、材料老化而引起的防护性能的衰退,而且,枪弹杀伤威力波动时,保险系数大的产品仍能提供足够的防弹性能。),这两者越大同样防护等级的防弹衣质量就会增加,要完全克服防护能力弱的缺点只能是士兵背负笨重的负担,轻巧舒适的优点就不复存在了。而硬质防弹衣笨重、导热、与人体不贴合等缺陷易导致人员不愿意穿着,不穿就等于没有装备,即使装备花的钱少也是浪费了。因此根据不同的需要、装备的能力和最新技术发展来决定装备的政策才是合适的。

影响防弹衣发展最重要的因素是防弹衣的防弹材料。目前采用的材料可分为硬质材料和软质材料两种。硬质材料有钢板、钛合金、铝合金及氧化铝防弹陶瓷等;软质材料则多为高分子聚合物,如:超高分子量聚乙烯、尼龙、高强聚乙烯、芳香族聚酰胺以及无机纤维如高性能E、S、O型玻璃纤维等。近年,外军又在研制仿生防弹材料,如防弹蜘蛛丝和防弹野鸡毛及纳米复合材料等。其中,使用最为广泛的是芳香族聚酰胺纤维和超高分子量聚乙烯纤维。

芳香族聚酰胺是酰胺键直接与两个芳环连接而成的线型聚合物,中文简称为芳香族聚酰胺,而中国对它的俗称为芳纶。其实聚酰胺纤维材料很早就出现了,也早就用于防弹材料上,那就是我们俗称的锦纶,最著名的是美国杜邦公司的商品名称——尼龙。在第一代防弹衣中,人们普遍使用防弹尼龙材料。但在实际穿用中,却感到防弹尼龙制作的防弹衣除了质量较大外,感觉上也十分憋闷。后来人们放弃了防弹尼龙,改用了 “凯夫拉”纤维。“凯夫拉”(Kevlar)芳纶这个系列高聚物材料中的一种——聚对苯二甲烷对苯二胺(PPTA)纤维。PPTA纤维是芳香族聚酰胺中最具代表性的高强度、高模量纤维,主要用作防弹材料。“凯夫拉”(Kevlar)是美国杜邦公司的注册商标,也是这种材料的商品名。其他的如荷兰阿克佐(AKZO)公司的“特瓦隆”(Twaron),日本帝人公司的“泰克诺拉”(Technora)都是这种材料的不同商品名。由于PPTA纤维的刚性大分子形成棒状结构,所以该纤维具有很高的模量。PPTA纤维分子的苯环内电子的共轭作用和苯环的刚性,使纤维具有较高的化学稳定性和高温下的尺寸稳定性。此外,PPTA纤维还具有高拉伸强度、高模量、低延伸率、热性能较好等特点,是很好的防弹材料。用芳纶制作的防弹衣,可以减轻质量,提高防弹衣的舒适性,更重要的是提高了防弹衣的防弹能力。目前用于防弹的芳香族聚酰胺纤维材料已开发出“凯夫拉29”、“凯夫拉49”、“凯夫拉129”、“凯夫拉LT”、以及荷兰公司研制的“特瓦隆2000”、“凯夫拉KM-2”等。其中“凯夫拉29”和“凯夫拉129”、“特瓦隆2000”比较柔软,适合做防弹衣。芳纶材料的出色性能使其不仅作为单兵防护装备的首选,也是一些大型设备如汽车飞机和设施建筑的结构材料和防护材料。

另一种比芳纶出现稍晚,但已经和它齐名并被冠以“打破凯夫拉纤维一统防弹材料天下局面”的纤维材料是超高分子量聚乙烯纤维。这是荷兰DSM公司利用凝胶纺丝法生产的具有更优异抗张性能的超高分子聚乙烯纤维,后来美国联合信号(AlliedSignal)公司购买了这项专利,生产出商品名为“斯派克特拉(Spectra)”和“戴尼莫”(Dyneema)超高分子量聚乙烯纤维。超高分子量聚乙烯纤维具有很高的主链结合强度和高度结晶取向,故使纤维具有很高的强度和模量。该纤维密度小,所以其比拉伸模量是“凯夫拉”纤维的4~5倍。而挠曲寿命优于“凯夫拉”纤维,断裂伸长率也大于“凯夫拉”纤维。所以,超高分子量聚乙烯纤维具有较强的耐冲击性和能量吸收能力。这一特点正是作为防弹材料所最需要的。此外,耐化学制剂的能力和耐光性也比“凯夫拉”好。缺点是耐热性能较差、制成复合材料时容易出现分层现象。为此,美国和荷兰有关公司不断研制新产品,以克服该纤维的缺点,增加其优势,如“斯派克特拉2000”就是该纤维的第三代产品,细度变小而强度增大。用“斯派克特拉”护板制成的防弹衣,防弹标准达到了美国MT的ⅢA级标准(可抵御9mm巴拉贝鲁姆和0.44英寸马格努姆枪弹),而防弹衣质量只有1.8kg。“戴尼莫”也出现了第四代产品,如“戴尼莫SK77”等,其强度比“戴尼莫SK66”又高出30%。

近年来,在材料和纺织工艺科技迅速发展的基础上出现了一种新型的高强度无纺复合防弹纤维。这种新纤维是由“凯夫拉”和“斯派克特拉”的混合物组成的。而“凯夫拉”和“斯派克特拉”两种纤维本身就具有很好的强度,是目前防弹衣广泛使用的纤维材料。混合后的新纤维除强度很高外,还由于它与原纤维不同,而是采用无纺结构即类似无纺布或毛毡,轻柔且有弹性。当高速弹头遇到这种“毛毡”时,其中的绒毛具有很大的阻力阻止了弹头钻入,其防弹的奥秘是“绵里藏针”,具有以柔克刚的能力,因此用它作防弹材料比现有的其他防弹纤维更好。另外,由于该无纺复合绒毛的生产工艺特殊,比传统的编织方法成本低,因此,用来制作防弹背心比现有的防弹纤维价格低廉。价格低而性能好的高强度无纺复合的防弹纤维已引起各国军界的重视和欢迎。

高新科技的发展特点是一项技术的开发成功会带来各个领域全方位的技术革命,如纳米技术的应用,在改变了世界的方方面面的同时也进入了防弹材料开发的领域中。纳米是长度单位,就是10亿分之一米。纳米科学与技术,有时简称为纳米技术,是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的三大效应:表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 对于固体粉末或纤维,当其有一维尺寸小于100nm,即达到纳米尺寸,即可称为所谓纳米材料,对于理想球状颗粒,当比表面积大于每克60平方米时,其直径将小于100nm,即达到纳米尺寸。专家认为,纳米复合材料的性能能满足未来人体防弹装甲的要求,既能防弹、防核生化(NBC)、防电磁和防火,又便于与未来士兵系统的探测、计算、通讯等结构集成为一体。该材料能极大提高生存能力,具有很广泛的通用性,能满足多方面的要求。若制成人体防弹装甲,其防护范围较宽,可防破片弹、箭形弹、枪弹和冲击波。因此,美军在新的人体防弹装甲的研究中选择了纳米复合材料,并对其防弹性能和实际应用作深入研究。

目前纳米技术在防弹材料领域的应用主要是纳米管纤维技术和“纳米剪切增稠液体”(STF)的开发。

以色列和美国的材料学家发现,纳米管纤维的强度大约比其他纤维的强度高200倍,原因是纳米管可以经受约100万个大气压的压力而不破裂,这一结果比类似的纤维高两个数量级。制造材料可以是碳纳米管、二硫化钨纳米管或富勒烯(也就是碳60,这是个非常神奇的材料,大家可以查查相关介绍,相信会大感兴趣)。当然,不是直接使用纳米管来拉伸制造纤维,而是将纳米管填加到纤维材料中,如新加坡将纳米碳管加进超高分子量聚乙烯塑料中制造出新型的轻便避弹衣;以色列由二硫化钨纳米管制成的防弹材料可用于制造头盔、防弹背心和军用运输器材的外部蒙皮等。

运用新型纳米科技研制出来的“剪切增稠液体”(STF),将制造出新一代战斗服——液体装甲,使长久以来人们的梦想变为现实。“剪切增稠液体”其实是一种处在固液混合状态的纳米粒子溶剂,利用它制造的防护服通常被叫做“液体装甲”。“剪切增稠液体”渗入织物中,通常状态下是以液态形式存在,但是,织物一旦受到冲击、压紧,“剪切增稠液体”就变成坚硬的固体,使织物更强韧,难以被穿透。因此,利用“剪切增稠液体”制造的新型防弹衣,平时柔软舒适,一旦遭到刀等利物砍、刺,或高速子弹、弹片冲击,就在受到冲击的瞬间变得坚韧无比,而且能将冲击力沿织物迅速分散开来,大大降低单位面积的压强。当冲击力消失之后,“剪切增稠液体”又恢复液体状态,织物也重新变软。“剪切增稠液体”能使织物变得无比强韧,可以抵御尖钉、刺刀和子弹的袭击,同时又不改变织物的重量、舒适度和弹性。“剪切增稠液体”的用途非常广泛,可以用于制造防护服、汽车装甲、头盔和手套,不但能够为军人和警察提供保护,也能为任何危险行业,如矿工、建筑工人等提供更舒适的工作服。最重要的是传统的防弹衣根本无法保护军人的许多关键部位,如手臂、颈部、腿部和肘部,因为这些部位需要经常活动和弯曲。如今的防弹衣,通常叫做防弹背心,不但厚重,而且硬邦邦的,不便用来制造需要弯曲折叠的裤子和袖子,因此只能护住躯干部分。而利用“剪切增稠液体”处理升级的新型防弹衣,柔软坚韧,可以制造连袖子带裤腿的全套衣服,保护军人的任何部位,无论人的身体如何弯曲防弹衣的防护性能都不会受损,这才是真正的防弹衣,将彻底克服传统防弹衣的缺点。目前这一技术的开发已经获得突破,也许就在几个月内首批利用“剪切增稠液体”处理升级的新型防弹衣将正式问世,到时候,美国驻伊拉克的前线士兵们将得到全方位的保护。

由于防弹衣在起到防弹功能的同时还必须具有一定的服用功能,如轻便、柔软、舒适、美观、隐蔽、防火、防水、伪装以及与其他单兵装备的适配性等,特别是目前军服的发展要求在能够灵活地完成各种动作的基础上还要能维持基本的热湿交换状态的“服装-人体”系统微气候环境调节能力。防弹衣的防弹材料经历了由金属装甲防护板向非金属合成材料的过渡,又由单纯合成材料向合成材料与金属装甲板、陶瓷护片等复合系统发展的过程,而更新的高科技材料的应用也已经开始了。另一方面,随着其他装备科技的发展,防弹功能已经与未来士兵系统的其他功能慢慢融合在一起。如美国陆军2025“未来战士”单兵作战系统中就已经没有单纯的防弹衣了。未来战士使用全新的封闭式头盔,其面板是具有防弹和防生化功能的抬头显示器,观瞄器材和其他信息终端所获得的图象和数据可以直接投射到面板上,头盔上还装有环境监测传感器和小型雷达,可对周围环境随时探测,将友军和敌军目标定位和威胁排序,并及时发出预警。未来战士的战斗服也是封闭的,除了防弹和防生化功能外还具备防红外探测和人体表面温度湿度调节系统。同时战斗服上还安装了片状天线,与战斗服进行了一体化的设计,可用于GPS定位、卫星通讯和信息交换等。

相信在不远的将来,通过高科技的发展和系统化的设计,防弹功能将融入到新型战斗服的令人眼花缭乱的各项功能中,单纯的防弹服将只能在博物馆中看见了。[size=14][/size][/face]

本文内容于 2008-9-12 11:16:05 被锋然编辑

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