摘要：基于软质防弹衣的发展与应用背景，介绍了防弹衣的类别，并探讨了软质防弹衣的防弹机制及影响因素。针对软质防弹衣现阶段应用中存在的不耐紫外线、受到湿度及温度的影响等问题，从改性现有材料、优化制备工艺、优化结构设计、开发新材料等方面对未来软质防弹衣的发展做了展望。

关键词：液体防弹衣；新材料；轻量化

战争与和平是社会发展永远避不开的话题。当今世界表面上是处在一个相对和平稳定的时期，实则暗流涌动，部分国家和局部地区的武装冲突时有发生，各地的恐怖袭击事件更有频发之势^[1-3]，即使在美国（2001年9月11日恐怖袭击事件、法国2015年11月13日巴黎恐怖袭击事件、2016年7月14日尼斯恐怖袭击事件）等发达国家也造成了大量无辜民众的伤亡。特别是随着科学技术的不断发展，武器装备不断更新换代，其杀伤威力不断增强，对于执行任务的军、警人员造成了巨大的人身安全威胁，因此，人体安全防护的重要性愈发受到各方关注。防弹衣作为一种重要的个体防护装备，通过吸收和耗散弹头、破片动能，阻止穿透，达到防止贯穿损伤与非贯穿损伤的目的，并进而对人体受防护部位起到有效保护的作用^[4-6]。为维护国际环境的稳定，保证任务人员的生命安全，防弹衣的市场需求也在逐年扩大，并且防护对象也逐渐由军、警向军、警、民用领域拓展^[7]。

1 防弹衣的分类

防弹衣根据防护等级的不同可以分为七类，第一类防护能力最弱，第七类防护能力最强；根据其制备材料的不同可分为硬质、软质以及软硬复合型防弹衣三种^[4-5,8]。

软质防弹衣主要通过使用各类高性能纤维进行制备，由于高性能纤维具有高强度、高模量、低密度以及合适的断裂伸长率，能在子弹侵彻过程中不断吸收和耗散子弹的冲击动能，并起到一定的缓冲作用，同等面密度条件下的防弹性能比传统金属防弹材料高出很多。应用在防护领域的高性能纤维主要有碳纤维、超高分子质量聚乙烯UHMWPE）纤维、芳纶、芳香族杂环类纤维以及玻璃纤维等五大类^[9-10]。

2 软质防弹衣的防弹机制及影响因素

2.1 防弹机制

纤维复合材料的防弹性能主要通过材料的冲击响应以及破坏机制等体现。防弹衣的防护作用主要包括两个方面：其一是将弹体或弹体碎裂后产生的破片弹开；其二是通过防弹材料对侵彻过程中弹头的动能进行消耗和释放，将弹头留在防弹材料内部，实现对弹头的拦截^[11-12]。软质防弹衣的基本原料为高性能纺织纤维，防弹机制主要为后者，其防弹能力的大小可以用公式（1）进行表征^[10]：

R²=WxC 

（1）式中：R为防弹性能的表征指标；W表示断裂能量吸收率；C表示声音在纤维中的传播速度，在纤维的模量越高以及韧性越好的情况下，C值越大。

由于单根纤维或者束丝并不具有防弹功能，只有将多根纤维束丝缠结成丝线，并利用特殊纺织工艺按照一定的规律进行排列整合得到机织布或者无纬布，进而将机织布通过一定的缝制工艺进行固定或者将无纬布进行叠层复合得到软质防弹材料^[9]。

当子弹打到软质防弹衣上时，弹头即陷入一张坚韧的纤维网，并产生冲击应力波，对防弹层产生拉伸破坏和剪切破坏。其中，圆锥状弹头以拉伸破坏为主，高速不规则碎片以剪切破坏为主。IRE-MONGER等^[13]发现碎片的形状虽然对纤维的断裂影响很大，但层与层之间的分层面积不受影响。同时，应力波的纵波部分可通过交接点将应力传递给辅助纤维，从而依靠辅助纤维吸收冲击过程中40%~50%的能量，横波部分产生的位移也可通过交接点传递给边缘部分的纤维，进而更均匀地分散应力，保证防护性能^[9-10]。。通过纤维的断裂破坏或者变形吸收并分散子弹的冲击动能，致使子弹变形或钝化，进而逐渐减速直至停止。整个防侵彻过程中，弹头的冲击动能除了以弹体的变形、织物的变形或破坏等方式来消耗外，还通过撞击以声能形式消耗，以及在侵彻过程中通过以纤维与纤维、纤维与弹体之间的摩擦产生热能进行消耗^[14]。每根纤维不仅在本层防护中起到了阻挡作用，并且能够与其他叠加层协同作用，因此，无论弹头射击到软质防弹衣哪一部分，其所产生的冲击应力都会被整个防弹层吸收，有效保证了防护性能^[15-16]。

2.2 影响因素

软质防弹衣对弹体能量的耗散形式主要表现为织物的变形与破坏、弹体的变形、撞击产生的声能、纤维与纤维以及纤维与弹体之间产生的热能等，即软质防弹衣的防弹性能是通过材料对弹体能量的吸收程度进行表现的，吸收程度越大，防弹性能越好。因此，组成软质防弹衣的纤维结构与性能对防弹性能具有决定性影响，主要表现如下^{[11-12,14,17]}。

（1）纤维强度。纤维需要具有足够高的强度抵抗弹体强大的冲击力，通常用于防弹领域的纤维强度均大于2.2GPa，以避免对人体造成贯穿损伤。常见高性能纤维的性能参数如表1所示。

碳纤维由于断裂延伸率较小，单位面积吸收的冲击能量小，已经逐渐退出防弹领域。芳纶、UHMWPE纤维已成为防弹复合材料的主要原材料，尤其是近几年，芳纶价格的降低，使得芳纶防弹衣市场优势凸显，以芳纶为主的软质防护材料越来越多地应用到防弹衣的制备中。

（2）纤维的变形能力。纤维需要具有较高的模量以及较小的断裂伸长率对弹体能量进行吸收并对撞击进行缓冲，过高的模量以及过小的断裂伸长率会导致断裂吸收的能量幅值有限，进而使得弹体贯穿防弹层，直接击中人体；而过低的模量以及过大的断裂伸长率则会导致防弹材料变形过大，进而对人体造成严重的非贯穿损伤，即钝伤。

（3）纤维的细度。纤维的细度越小，则纱线抱合越紧贴，受力也更均匀，纱线的强度也越大，防弹防刺性能均提高。

（4）纤维的集合方式。不同纤维的集合方式会造成纱线织物的单纤强力利用率和纱线整体伸长变形能力的不同，纱线在应用过程中应当尽量少加或者不加抢，以此保证纤维能够充分伸展，进而提高纤维的利用率。

（5）织物的组织结构。针织物由于具有各向异性，在不同方向上具有不同的抗击特性，因此不适用于防弹衣的制备，目前用于防弹衣的织物结构主要为机织布、无纬布等。

除纤维本身的结构与性能对防弹性能有着重要的影响外，织物后处理进行软质防弹衣制备所使用的基体树脂种类与用量、树脂固含量、助剂种类与含量、背板种类与厚度等^[18]，以及弹体种类、材质、形状、质量、射速等都会影响防弹衣的防弹性能^[19-20]。

肖文莹等^[21]借助LS-DYNA非线性动态显式有限元分析软件对不同迎弹面及不同混杂比的芳纶/UHMWPE纤维层间混杂复合材料的防弹性能进行了研究，结果表明混杂复合材料在使用芳纶作迎弹面时防弹性能较好，且混杂比为1：2时的整体防弹性能可进一步提升。梁子青等^[22]通过分别使用聚氨酯、低密度聚乙烯树脂作为基体材料与不同结构的UHMWPE纤维进行复合，并对其防弹性能进行了研究，结果表明防护性能最好的UHMWPE防弹复合材料结构为正交铺层结构，并且研究发现模压工艺对复合材料的防弹性能影响不大。孙非^[23]通过对UHMWPE防弹衣材料进行不同时间的高温，高湿热及弧灯光照射等人工加速老化试验，得到各条件下的弹道极限速度数值。

何业茂等^[24]以热塑性的水性橡胶、水性聚酯、水性聚氨酯为基体树脂，以UHMWPE纤维作为增强纤维，采用热压工艺进行了单向正交结构防弹复合材料的制备，对其弹道响应和力学行为进行了研究，表明UHMWPE纤维复合材料的抗弹道侵彻性能与其准静态下的拉伸断裂强度、层间剪切强度具有正相关性。

马华菁等^[25]以UHMWPE纤维、水性聚氨酯树脂为原料，借助滚筒式无纬机制备系列无纬布，并采用5969H型Instron万能材料试验机测试无纬布的拉伸性能，研究表明：无纬布的能量吸收与单丝强度、单丝断裂伸长率的综合指标表现出相关性；无纬布的拉伸强度随着单丝强度的增加而增加，在一定条件范围内，拉伸强度随着含胶量的增加而增加：含胶量较低时，无纬布拉伸破坏时会出现明显的分层现象。

李焱等^[26]采用不同结构形式的纤维预浸料制备了水性聚氨酯/UHMWPE纤维防弹复合材料，研究了复合材料的含胶量、面密度和叠层方式等预浸工艺参数对材料防弹性能的影响，结果表明：基材为无纬布结构的防弹性能最为优异：间隔10°的铺层工艺虽然对防弹性能没有太大影响，但是会扩大分层破坏面积；无纬布预浸成型工艺对防弹性能影响很大，含胶量影响最为显著，不同铺层方式靴板弹着点附近侵彻破坏形貌如图1所示。

江怡等^[27]对不同防弹结构的抗侵彻性能进行了研究，结果表明芳纶层数的增加使抗侵彻性能效果增强。

3 软质防弹衣存在的问题与发展趋势

3.1 现阶段存在的问题

软质防弹衣的原材料主要为各种高性能纤维，以UHMWPE纤维与芳纶为代表。其聲端在于软质防弹衣在服用过程中不可避免受到紫外线照射、温度及湿度的影响而出现老化现象，导致防弹性能不能满足使用要求^[1-28]。

王鲁州等^[29]分别利用高温、紫外线照射和简单光热复合作用等方法对Kevlar、Nomex长丝和短纤维混纺纱线进行了处理，结果表明高温处理会使纱线强度严重损失，光热复合作用条件下的断裂强力下降更为剧烈。

伴随科学技术的不断发展以及新材料的日新月异，防弹衣的研究水平不断提高，市场对于防弹衣的性能需求也不只局限于防弹性能，在满足优异的防护性能的前提下也在不断发展轻量化、舒适型防弹衣，并且需要具有一定的柔软度^[30]，在保证防护对象生命健康安全的同时也能够确保防护对象进行正常活动（例如蹲、跳、跑等一系列动作，从而更快、更好地完成任务。防弹衣产品的多功能化以及柔软舒适的要求已经是国际化市场的普遍需求，这也使得传统的硬质防弹衣逐渐被淘汰，软质防弹衣愈发受到青睐^[31-32]。随着各国民众个体防护意识的增强，防弹衣产品的应用领域不断由军、警用向军、警、民用扩大，因此制备适应多种环境使用的软质防弹衣产品仍然是未来发展的重要方向。

3.2 未来发展趋势

基于软质防弹衣产品在现阶段发展中存在的端，软质防弹衣也在不断向着新方向发展，具体包括改性现有材料、优化制备工艺、优化结构设计、开发新材料等^[6,9,33]。

3.2.1 改性现有材料

对现有材料进行改性，使其具备原本没有的功能特点或者弥补现有缺点，是诸多科研机构以及生产厂家较为普遍使用的方法。

陈虹等^[34]较为全面地介绍了国内外关于石墨烯改性防弹材料的研究，包括石墨烯改性陶瓷复合材料、芳纶材料、UHMWPE等防弹材料，揭示了石墨烯良好的改善效果及其在防弹领域的应用潜力，尤其是在制备轻量化、高性能的防弹材料方面具有较好的应用前景。毛云增等^[35]介绍了将交联结构引入UHMWPE纤维中，从而解决其耐高温性能差、耐螨变性能差的特点，但是这种改性会使得纤维强度更容易受到辐照影响，并且会使得高度取向的大分子链产生松弛。肖露等^[36]利用增韧改性环氧乙烯基酯树脂与碳纤维、芳纶以及高强玻璃纤维进行高性能纤维树脂基复合材料的设计与制备。陈虹等^[37]通过添加水性聚氨酯的含磷阻燃剂进行了阻燃剂改性胶黏剂体系的制备，并进一步将阻燃改性胶黏剂用于制备阻燃改性芳纶无纬布，并最终得到一种本质阻燃的芳纶无纬布产品。

3.2.2 优化制备工艺

通过对现有工艺进行改进和优化，获得不同材料体系下软质防弹衣产品最佳的性能参数方心灵等^[38]通过对比不同种类的胶黏剂，优选了改性聚氨酯类树脂作为防弹防刺无纬布用胶黏剂，对成型工艺进行了优化研究，在制品层数与厚度可调节的情况下，确定最终的固化温度为130℃、压力为5.0MPa、模压时间大约为10min。刘元坤等^[39]对芳纶无纬布连续化生产工艺进行优化研究，包括纱架上纤维退绕张力、胶黏剂配方与配比、环境条件等，对无纬布表观以及防弹性能的影响进行对比得到最佳的工艺条件，并且将连续化生产制备的单向布通过压机复合压制成层叠产品，做成的防弹芯片通过了美国司法部NIJ0101.06防弹测试标准。

3.2.3 优化结构设计

通过结构的设计优化，进而使得防弹衣产品在具有足够的防弹性能的同时也具有轻量化、舒适性等多项要求。

吴煜等^[40]全面介绍了便携式轻量化防弹系列装备，并对比了国内外防弹产品的性能特点，发现国内的超轻型防弹衣背心质量约为国外同类产品的1.25倍，国内软质防弹产品的轻量化仍然具有很大的发展空间。虎龙等^[32]以芳纶作为无纬布主体纤维，通过调配不同的助剂和胶黏剂配方，制得了凹陷值小、安全裕度高的防弹防刺服，并且该双防服具有良好的柔软性和舒适性。

3.2.4 开发新材料

新材料往往具备比现有材料更多的优点，由其制备的软质防弹衣更能适应未来复杂多变的作战环境和功能化需求，如：基于仿生学模拟穿山甲鳞片制备的防弹衣具有自我修复功能，可以抗二次冲击；基于蜘蛛丝蛋白基因工程得到的蜘蛛丝具有特殊抗韧性和抗冲击性，为丝质防弹衣的制备提供了原材料；基于剪切增稠液体（STF与芳纶复合搭配制备的液体防弹衣可以在平时保持柔软的状态，柔韧性较传统防弹衣更高，在受到弹体冲击时变得坚硬，即使是突击步枪的扫射也能承受，防护性能更加优异；基于软质防弹衣内置电子信号电路板的智能防弹衣，不仅能捕捉来袭弹体信号，而且能够释放信号对其进行干扰，同时还具有向外界发出救助信号、报告受伤位置等一系列功能，有利于受伤人员在第一时间得到更好更快的救援^{[5-6,10,41-42]}。

彭恋^[43]以仿生学原理为基础，借鉴鱼鳞片的分层及多尺度结构和覆盖模式进行仿生设计，得到了由高性能防弹陶瓷与纤维材料构成的柔性叠层结构，该结构具有优良的抗穿透能力与灵活性。

闫学军等^[44]使用浸渍过胶态STF的凯夫拉织物制备得到防弹复合材料，并对其弹道抗侵彻性能进行了研究，并将浸渍过胶态STF的凯夫拉织物与纯凯夫拉织物进行对比，结果表明，在相同面密度的情况下，前者达到相同的低速弹道冲击性能所需要的层数更少，进一步表明STF与凯夫拉复合制备的防弹衣材料柔韧性更好，体积更小。

WANG等^[45]通过将低分子质量凝胶剂（LMWGs）集成到STF中，制备了新型凝胶剪切稠化流体（GSTFs），并进行了流变试验研究。结果表明：GSTFs内部的LMWGs可以组装成能约束液体分子流动性的三维网络；其含量支配组装网络的密度和强度，较高的含量会使剪切增厚消失，较低的含量不能使STF凝胶化。

4 结语

软质防弹衣作为当代军、警、民用领域广泛使用的个体防护装备，是未来防弹衣发展的重要基础，其在科学技术不断进步、现代合成材料不断涌现以及国际化市场需求不断增长的背景刺激下，也在不断向着柔软舒适型、轻量化以及多功能化的方向发展和创新，依托于新材料、新技术以及新工艺的支持，软质防弹衣的发展具有广阔的市场前景。