防刺服的研究与发展现状
摘要：概述了防刺服的分类及其国内外研究进展，简要介绍了防刺服用纤维材料、硬质材料，以及防刺测试相关标准，展望未来防刺服领域的研究方向。
关键词：防刺；复合织物；硬质粒子
纵观国内外防刺服的发展过程可以看出，随着科技的飞速发展，防刺服的结构在不断发展与优化，已由早期的盔甲式防刺装备，逐渐发展到当前高强轻质材料的应用。本文概述了防刺服的分类与国内外研究进度，简要介绍了防刺服用纤维材料、硬质材料，以及防刺测试相关标准，分析了防刺服材料改进过程中的关键技术问题，展望未来防刺服领域的发展方向。
1 防刺服的分类及发展现状
现有的防刺服按其硬度差异大致可分为硬质、半硬质和软质防刺服3类。硬质防刺服指采用硬质材料制成具有特定形状的防刺板或防刺块，再将其按照设计要求规律排列制成的防刺服[1]。半硬质防刺服的防刺主体相比硬质材料更具柔韧性，这种防刺服由多层柔性高强纤维材料复合而成，内部添加金属等硬质材料。软质防刺服由高性能纤维织物多层叠加而成，其组成材料较柔软[2]。
1.1 硬质防刺服
硬质防的主体防刺结构通常采用金属或陶瓷等硬质材料制成，防刺层材料多呈板、块状紧密排列。防刺板或防刺块间通过缝合、铆接等方式连接在一起，这使得硬质防刺服较厚重，穿着后人体活动灵活性受限。尤其是在早期，硬质防刺服的结构和构成与古代士兵穿用的盔甲十分相似。第一次世界大战时期，士兵穿用的防刺服多为采用金属材料制成的全硬质防刺服。尽管硬质防刺服的防刺效果很好，但其刚性较大，不利于穿着人员的运动。目前，市面上常见的硬质防刺服有龙之谷等公司生产的硬质防刺服，其内胆材料为图1所示的小块钨钢板片，这些钨钢板片按鱼鳞状紧密排列，通过缝合或铆接连在一起。每件防刺面积约0.3 m2的防刺服，其质量约为2.4~2.6 kg。尽管硬质防刺服的服用灵活性差，但具备优异的防刺、割、砍等性能，故目前仍在市场上占据一席之地。
目前，硬质防刺服的结构设计方案有很多。如，于春玲等[3]研究开发出一种采用鱼鳞状防刺材料(图2)制成的硬质防刺服。这种防刺服基于仿生学的设计原理，参照鱼鳞排列和搭接方式设计制作。试验表明，这种防刺服在达到防刺目的的同时，能够尽可能地保持灵活的服用性能。
此外，研究者还尝试改变硬质材料的几何体形状及排列方式设计防刺服。如，Howard等[4]将特定结构的金属几何体置于非织造布等形式的防刺材料中，几何体的底部相互连接。在遭遇刀具冲击时，该结构可改变刀具的运动轨迹，从而起到防刺作用。张克勤[5]通过添加硬质片状材料，实现了基布的防刺效果。其将正六边形防刺片材按照蜂窝网状结构黏结在柔软的基布上，这些正六边形防刺片材相互间留有一定的间隙，从而使防刺服具有一定的弯曲性，便于人体活动。谢正权等[6]将特定形状的防护模块按-定规律排列在基布两侧，并通过双面铆接的方式将这些模块固定在织物上，以实现防刺效果。Dong等[7]探究了树脂片防刺材料的树脂片形状及排列方式对防刺效果的影响，通过对六边形、圆形、三角形等不同形状的树脂片进行理论分析，发现在织物表面孔隙率相同的情况下，六边形树脂片的片间间隙最小，且六边形排列可使间隙之间不连成直线，所得材料的防刺性能更稳定。Yuan等[8]采用3D打印技术，将碳纤维和聚酰胺(PA)材料混合制成防刺板，所得防刺材料与金属板相比，质量减小了30%~40%。
1.2 半硬质防刺服
半硬质防刺服主要分为两大类，一类是在防刺服中添加金属圈、金属片等具有-.定柔韧性的硬质材料，另一类为浸渍树脂材料的防刺服[9]。相比于硬质防刺服，半硬质防刺服的面密度减小，柔软性及灵活性提高，可穿戴性更好[10]。目前，市场上具有代表性的半硬质防刺服有WarwickMills公司的TurtleSkin MFA防刺服及重庆盾之王公司生产的半硬质防刺背心等。
关于半硬质防刺服制备方法的研究有很多。王越[11]使用相互勾连的金属丝制作防刺服。其使用的金属丝为-种螺旋状长丝，通过长丝间的相互勾连织制金属防刺层，所得防刺服比传统的硬质防刺服更轻质、柔软，且弯曲性能良好。Bachner等[12]将金属丝制成相互嵌套的金属环，再将金属环置于防刺服夹层中实现防刺效果。杜玲玲等[13]采用含金属丝的包芯纱制作防刺织物，其研究发现，纱线捻度的增大可提高织物的防刺性。另有一些学者对半硬质防刺服用金属硬质材料的表面进行防腐蚀处理，以增强半硬质防刺服产品的耐久性。
浸渍树脂类防刺服通常是将树脂材料与基布相结合，通过树脂的应用提高基布的防刺效果[14]。尽管基布与树脂结合后，树脂材料能改善基布的防刺性能，但基布将变硬，且透气性下降[15]。
目前，常用于防刺材料的树脂有黏结性好且收缩率低的环氧树脂；坚硬耐磨但韧性稍差的酚醛树脂；耐冲击且耐撕裂的沙林树脂；成型后柔软的聚丙烯酸酯和聚氨酯树脂[16]。
Li等[17]在超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)无纬布浸渍树脂的防刺试验过程中发现，织物的防刺性能与织物的面密度和排列结构有很大的关系。Mayo等[18]使用热塑性树脂浸渍芳纶布，研究发现，树脂可以很好地填充纤维间空隙，使其结构更紧密；经树脂浸渍处理后，芳纶材料的静态和动态防刺性能均优于纯芳纶织物。周厚勇等[19]将特定用量的混合树脂涂覆在芳纶机织物两面，再对涂有树脂的基布进行模压、固化处理，制得防刺材料。黎国标等[20]采用额外添加陶瓷颗粒的树脂及稀释剂混合的胶液浸渍基布，再对浸渍布进行烘干处理，获得一种柔软的防刺材料。李亚滨等[21]将聚氨酯材料与芳纶织物结合，制得一种防刺材料 ，并对比了3种涂层方法对防刺材料防刺性的影响，发现转移涂层法制作的防刺材料比湿法涂层和干法涂层工艺制作的防刺材料防刺性更好；在芳纶织物正反两面涂层制作的防刺材料具有更好的防刺效果；采用27层芳纶织物复合制成的防刺材料，可有效防止24.0 J的刀具能量的冲击。许冬梅等[22]探讨了采用无纬布制作的防护服的防护性能，发现采用无纬布制作防弹衣时，对纤维材料的要求较高，且材料强度越高，防弹效果越好；而用无纬布制作的防刺服，更多的是依靠黏结剂材料实现防刺，黏结剂用量越多，防刺服的防护效果越好，防刺效果与纤维材料强度之间并没有明显的相关关系。马飞飞等[23]采用注塑成型技术制备防刺材料。工程塑料以流动相形式对纤维集合体充分浸渍，在纤维集合体表面形成规则突起的特殊结构；冷却后，工程塑料将纤维集合体固化，从而实现将耐冲击、耐穿刺的工程塑料与纤维集合体结合，达到防刺目的。
1.3 软质防刺服
随着科学技术的快速发展，很多新型优质合成材料相继涌现。继Kevlar 材料面世后，很多高性能纤维陆续被开发。这些强度大而密度小的高性能纤维对柔软轻质防刺服的研发有着巨大的推进作用。目前，实验室制作的面积为0.3 m2的软质防刺服，其质量约为1 kg，相比硬质防刺服减轻很多。当前市场上具有代表性的软质防刺服有美国Cirminology公司生产的针织防穿透背心，北京君安公司生产的高相对分子质量聚乙烯防刺服等。
软质防刺服的织物类型包括机织物、针织物、无纬布及非织造布等。其中，机织物结构较紧密，工艺上多采用高密度平纹组织结构制作防刺织物。这种结构的防刺织物中纱线间排列紧密，刀具难以轻易刺入防刺材料，但机织物一旦被割破，纱线间的紧密结构将遭破坏，刺割裂口可能会突然变大，影响防刺性[24]。针织物具有特殊的线圈结构，在刀具刺入过程中，被刺入的线圈产生移动变形，同时带动周围线圈移动变形。纱线间的滑移摩擦可消耗刀具的能量，同时线圈在移动过程中包紧刀具，可阻碍刀具进一步刺入[25-26]。无纬布多用于防弹衣制作，采用无纬布制作的防刺服硬度较大。非织造布防刺材料纤维间的排列疏松，抱合力差，但抗剪切性好，通常将其铺放在其他防刺材料中间使用。
郭静荷[27]将采用高性能纤维编织而成的针织物与结构更为紧密的非织造布组合，制成不同结构的防刺服。研究发现，针织物的特殊结构使其具有很好的能量吸收效果，线圈间的互相作用和纱线的滑移可很好地包裹刀具，有利于防刺。将针织物置于防刺材料的上层，非织造布置于底层，可以在有效利用针织物防刺特点的同时，利用非织造布结构有效减少刀具的刺穿深度。李丽娟等[28]在研究经编针织物的防刺性能时，对比了UHMWPE纤维织造的经编单面织物、机织物及非织造布的准静态防刺性能，发现针织物防刺性能更好。张卓等[29]在柔性个体防护材料抗穿刺性能的试验研究过程中发现，纬编双轴向多层衬纱结构的织物的结构疏松，刀刃容易穿过织物中纱线间的间隙并刺穿防刺材料，进而割断纱线，故无法单独用作防刺材料。钟智丽等[30]探究了三维机织物的防刺效果，发现三维机织物由于具有一定的厚度且纱线间结构紧密，在动态刺割测试中表现出良好的防刺性能。其中，面密度为4.66 kg/m2的单经双纬锁心三维机织物在承受24.0 J的刀具能量冲击时，织物仅被刺破一个微小的孔洞。
目前，市场上还出现了一种液体防刺服。这种防刺服由剪切增稠体(STF)与机织物、非织造布等基布复合后制成[31]。通常情况下，STF呈液态，然而，当其受到瞬间冲击作用时，其将在超过临界剪切速率或应变下转变为类固态物质[32] ；当外界冲击作用消失后，它又复原到起初的液态。因STF的这一特点，将其与织物复合，可得到柔韧性好的防刺服。目前，在实际应用中，因剪切增稠的防刺效果有限，故多采用STF处理防刺材料，以提升防刺材料的防刺性[33]。
Sun等[34]探究了浸渍STF的UHMWPE织物的防刺性能，发现浸渍STF后UHMWPE织物的耐刺穿性能大幅提高；随着STF中纳米Si02质量分数的增加，UHMWPE织物的抗刺穿性能提升；在同等防刺效果下，STF处理后的UHMWPE织物柔软性更好；在针状物刺穿试验中，经含纳米Si02(质量分数为38%)的STF处理的8层UHMWPE复合材料，其防刺效果与未经STF浸渍处理的16层UHMWPE织物相当。Lee等[35]使用含有Si02颗粒的STF浸渍芳纶平纹机织物，发现织物防刺效果增加，同时未对织物的柔软性产生破坏。此后，STF用于防刺领域的研究越来越多，研究者分别就分散介质的种类、大小及其在分散剂中的占比等进行了系列试验研究。Zhao 等[36]使用半径不等的Si02配制STF，并采用所得STF处理芳纶织物，探讨了Si02粒子大小对材料防刺性的影响。研究发现，随着Si02粒子半径的增大，锥状物刺人处理后芳纶织物的深度减小，材料的防锥刺效果增强。俞科静等[37]将非织造布浸渍在STF中，发现当采用两种分散介质混合浸渍处理防刺织物时，所得复合织物的防刺性比单一分散介质浸渍处理的复合织物的防刺性好。其研究还发现，分散介质的相对分子质量不宜过大，否则STF易变质成固体。Girgen等[38]发现，相比用单相STF浸渍的织物，用不同粒径碳化硅粒子制成的多相STF浸渍的织物防刺性能更好。范佳慧等[39]使用纳米SiO2材料制作STF，发现随着STF中Si02粒子用量的增加，剪切临界黏度随之增大，经STF处理的涤纶织物的防穿刺性能增强；将经STF(纳米Si02质量分数为28%)处理的织物多层叠加并测试其防刺性能，发现第四层织物的穿孔直径仅为0.5 mm。
2 防刺服用纤维材料
目前，国际上应用较多的防刺服用纤维材料通常为具有高强高模等特性的高性能纤维，市场上较常见的是UHMWPE纤维和芳纶[40-41]。
表1对比了一些常用于个体防护领域的高性能纤维的性能。由表1可以看出，芳纶和UHMWPE纤维的性能良好，其断裂强度、模量较高，断裂伸长率、密度较小。
3 防刺服用硬质材料
金属、陶瓷等硬质材料常用于防刺织物的制作。高硬度的硬质材料可在受刀具冲击时，通过自身硬度直接抵抗刀具，阻碍刀具的切割作用。因此，硬质材料的硬度对防刺织物的性能有着直接的影响。材料硬度越大，制成的防刺织物对其防刺效果越好。硬质粒子的选择范围较广，常用的刺效果越好。硬质粒子的选择范围较广，常用的硬质材料有碳化硅、氮化硼、氧化铝、碳化钛碳化钨等[42-43]。一些常见硬质材料的密度和硬度对比如表2所示。
由表2可知，目前硬度最大且密度较小的硬质材料是金刚石，其次是立方氮化硼，再者是碳化硼。尽管金刚石和立方氮化硼均具有硬度大、密度小的优良特点，是制作防刺服的绝佳材料，但这两种材料价格较高，不适于实际生产应用。碳化硼是硬度次于这两种材料的高硬度材料，且密度在各种硬质材料中相对较小，因此其更适宜于实际应用。
4 常用防刺测试标准
目前，国际上有关防刺的测试标准主要有两种，一种是美国的NJ-0115.00标准，另一种是英国的PSDB标准。我国在参考了美国和英国的防刺标准基础上，制定了GA 68—2019《警用防刺服》标准[44]。上述防刺标准中均采用质量为2.4 kg的刀具，以规定能量自由落体刺割防刺材料，基于织物被穿透情况评估其防护性能[45]。其中，我国的防刺标准将防刺服按照使用场合划分为两个类别，但仅以刀具是否刺穿防刺材料判断防刺性能是否合格，不评价防刺等级；美国和英国的防刺标准则将防刺能力划分为3个级别，不同防刺等级的冲击能量及允许穿透深度如表3所示。
5 结语
当前市场上的防刺服主要有硬质、半硬质和软质防刺服3类。硬质防刺服的防刺效果好，但服用灵活性差，相关研究多集中在硬质材料的轻量设计、形状设计及防刺板块的排列组合上。半硬质防刺服在确保有效防护的同时，兼顾服用性能。近些年，有关浸润树脂材料制成的半硬质防刺服的研究较多。超高相对分子质量聚乙烯和芳纶因具有高强、高模、低密度、低伸长等优异特性，成为软质防刺服研究的主要纤维材料。
在防刺服用硬质材料中，碳化硼的硬度高、价格低，表现出较高的应用价值。就常用的防刺测试标准而言，我国采用的GA 68—2019《警 用防刺服》标准相较于美国和英国的标准，缺少对防刺等级细分的规定，这亟待相关学者深入研究，并在未来的标准更新中补充修订。
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来源：产业用纺织品责任编辑：孔珊珊
