防弹衣及防弹原理

     防弹衣概述

     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”。从使用看，防弹衣可分警用型和军用型两种。从材料看，防弹衣可分为软体、硬体和软硬复合体三种。软体防弹衣的材料主要以高性能纺织纤维为主，这些高性能纤维远高于一般材料的能量吸收能力，赋予防弹衣防弹功能，并且由于这种防弹衣一般采用纺织品的结构，因而又具有相当的柔软性，称为软体防弹衣。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，由此制成的防弹衣一般不具备柔软性。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。 

     作为一种防护用品，防弹衣首先应具备的核心性能是防弹性能。同时作为一种功能性服装，它还应具备一定的服用性能。

     防弹性能

     防弹衣的防弹性能主要体现在以下三个方面：(1)防手枪和步枪子弹目前许多软体防弹衣都可防住手枪子弹，但要防住步枪子弹或更高能量的子弹，则需采用陶瓷或钢制的增强板。(2)防弹片各种爆炸物如炸弹、地雷、炮弹和手榴弹等爆炸产生的高速破片是战场上的主要威胁之一。据调查，一个战场中的士兵所面临的威胁大小顺序是：弹片、枪弹、爆炸冲击波和热。所以，要十分强调防弹片的功能。(3)防非贯穿性损伤子弹在击中目标后会产生极大的冲击力，这种冲击力作用于人体所生产的伤害常常是致命的。这种伤害不呈现出贯穿性，但会造成内伤，重者危及生命。所以防止非贯穿性损伤也是防弹衣防弹性能的一个重要方面。

     服用性能

     防弹衣的服用性能要求一方面是指在不影响防弹能力的前提下，防弹衣应尽可能轻便舒适，人在穿着后仍能较为灵活地完成各种动作。另一方面是服装对“服装-人体”系统的微气候环境的调节能力。对于防弹衣而言，则是希望人体穿着防弹衣后，仍能维持“人-衣”基本的热湿交换状态，尽可能避免防弹衣内表面湿气的积蓄而给人体造成闷热潮湿等不舒适感，减少体能的消耗。此外，由于其特殊的使用环境，防弹衣也要考虑到与其他武器装备的适配性。

     防弹衣的发展历程

     作为一种重要的个人防护装备，防弹衣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。人体装甲的雏形可追溯至远古，原始民族为防止身体被伤害，曾用天然纤维编织带作为护胸的材料。武器的发展迫使人体装甲必须有相应的进步。早在19世纪末期，用在日本中世纪的铠甲上的真丝也用在了美国生产的防弹衣上。1901年，威廉?麦肯雷总统被暗杀事件发生后，防弹衣引起了美国国会的瞩目。尽管这种防弹衣可防住低速的手枪子弹(弹速为122米/秒)，但无法防住步枪子弹。于是，在第一次世界大战中，出现了以天然纤维织物为服装衬里，配以钢板制成的防弹衣。厚实的丝绸服装也一度曾是防弹衣的主要组成部分。但是，真丝在战壕中变质较快，这一缺陷加上防弹能力有限和真丝的高额成本，使真丝防弹衣在第一次世界大战中受到了美国军械部的冷落，未能普及。在第二次世界大战中，弹片的杀伤力增加了80%，而伤员中70%因躯干受伤而死亡。各参战国，尤其是英、美两国开始不遗余力地研制防弹衣。1942年10月，英军首先研制成功了由三块高锰钢板组成的防弹背心。而在1943年度，美国试制和正式采用的防弹衣就有23种之多。这一时期的防弹衣以特种钢为主要防弹材料。1945年6月，美军研制成功铝合金与高强尼龙组合的防弹背心，型号为M12步兵防弹衣。其中的尼龙66(学名聚酰胺66纤维)是当时发明不久的合成纤维，它的断裂强度(gf/d：克力/旦)为5.9～9.5，初始模量(gf/d)为21～58，比重为1.14克/(厘米)3，其强度几乎是棉纤维的二倍。朝鲜战争中，美陆军装备了由12层防弹尼龙制成的T52型全尼龙防弹衣，而海军陆战队装备的则是M1951型硬质“多隆”玻璃钢防弹背心，其重量在2.7～3.6千克之间。以尼龙为原料的防弹衣能为士兵提供一定程度的保护，但体积较大，重量也高达6千克。70年代初，一种具有超高强度、超高模量、耐高温的合成纤维——凯夫拉(Kevlar)由美国杜邦(DuPont)公司研制成功，并很快在防弹领域得到了应用。这种高性能纤维的出现使柔软的纺织物防弹衣性能大为提高，同时也在很大程度上改善了防弹衣的舒适性。美军率先使用Kevlar制作防弹衣，并研制了轻重两种型号。新防弹衣以Kevlar纤维织物为主体材料，以防弹尼龙布作封套。其中轻型防弹衣由6层Kevlar织物构成，中号重量为3.83千克。随着Kevlar商业化的实现，Kevlar优良的综合性能使其很快在各国军队的防弹衣中得到了广泛的应用。Kevlar的成功以及后来的特沃纶（Twaron）、斯派克特（Spectra）的出现及其在防弹衣的应用，使以高性能纺织纤维为特征的软体防弹衣逐渐盛行，其应用范围已不限于军界，而逐渐扩展到警界和政界。然而，对于高速枪弹，尤其是步枪发射的子弹，纯粹的软体防弹衣仍是难以胜任的。为此，人们又研制出了软硬复合式防弹衣，以纤维复合材料作为增强面板或插板，以提高整体防弹衣的防弹能力。综上所述，近代防弹衣发展至今已出现了三代：第一代为硬体防弹衣，主要用特种钢、铝合金等金属作防弹材料。这类防弹衣的特点是：服装厚重，通常约有20千克，穿着不舒适，对人体活动限制较大，具有一定的防弹性能，但易产生二次破片。第二代防弹衣为软体防弹衣，通常由多层Kevlar等高性能纤维织物制成。其重量轻，通常仅为2～3千克，且质地较为柔软，适体性好，穿着也较为舒适，内穿时具有较好的隐蔽性，尤其适合警察及保安人员或政界要员的日常穿用。在防弹能力上，一般能防住5米以外手枪射出的子弹，不会产生二次弹片，但被子弹击中后变形较大，可引起一定的非贯穿损伤。另外对于步枪或机枪射出的子弹，一般厚度的软体防弹衣难以抵御。第三代防弹衣是一种复合式的防弹衣。通常以轻质陶瓷片为外层，Kevlar等高性能纤维织物作为内层，是目前防弹衣主要的发展方向。

     防弹衣的防弹机理及其影响因素

     防弹衣的防弹机理从根本说有两个：一是将弹体碎裂后形成的破片弹开；二是通过防弹材料消释弹头的动能。美国在二三十年代研制出的首批防弹衣是靠连在结实衣服内的搭接钢板提供防护的。这种防弹衣以及后来类似的硬体防弹衣即是通过弹开弹头或弹片，或者使子弹碎裂以消耗分解其能量而起到防弹作用的。以高性能纤维为主要防弹材料的软体防弹衣，其防弹机理则以后者为主，即利用以高强纤维为原料的织物“抓住”子弹或弹片来达到防弹的目的。研究表明，软体防弹背心吸收能量的方式有以下五种：（1）织物的变形：包括子弹入射方向的变形和入射点临近区域的拉伸变形；（2）织物的破坏：包括纤维的原纤化、纤维的断裂、纱线结构的解体以及织物结构的解体；（3）热能：能量通过摩擦以热能的方式散发；（4）声能：子弹撞击防弹层后发出的声音所消耗的能量；（5）弹体的变形。为提高防弹能力而发展起来的软硬复合式防弹衣，其防弹机理可以用“软硬兼施”来概括。子弹击中防弹衣时，首先与之发生作用的是硬质防弹材料如钢板或增强陶瓷材料等。在这一瞬间的接触过程中，子弹和硬质防弹材料都有可能发生形变或断裂，消耗了子弹的大部分能量。高强纤维织物作为防弹衣的衬垫和第二道防线，吸收、扩散子弹剩余部分的能量，并起到缓冲的作用，从而尽可能地降低了非贯穿性损伤。在这两次防弹过程中，前一次发挥着主要的能量吸收作用，大大降低了射体的侵彻力，是防弹的关键所在。影响防弹衣防弹效能的因素可从发生相互作用的射体（子弹或弹片）和防弹材料两个方面考虑。就射体而言，它的动能、形状和材料是决定其侵彻力的重要因素。普通弹头，尤其是铅芯或普通钢芯弹在接触防弹材料后会发生变形。在这一过程中，子弹被消耗了相当一部分动能，从而有效地降低了子弹的穿透力，是子弹能量吸收机理的一个重要方面。而对于炸弹、手榴弹等爆炸时产生的弹片或子弹形成的二次破片来说，情形就显著不同了。这些弹片的形状不规则，边缘锋利，质量轻，体积小，在击中防弹材料尤其是软体防弹材料后不变形。一般说来，这类碎片的速度也不高，但是量大而密集。软体防弹衣对这类碎片能量吸收的关键在于：破片切割、拉伸防弹织物的纱线并使其断裂，且使织物内部纱线之间和织物不同层面之间的相互作用，造成织物整体形变，在上述这些过程中碎片对外做功，从而消耗自身的能量。在上述两种类型的身体能量吸收过程中，也有一小部分的能量通过摩擦（纤维/纤维、纤维/子弹）转化为热能，通过撞击转化为声能。在防弹材料方面，为了满足防弹衣要最大程度地吸