單兵戰場防護用纖維制品的發展現狀與展望

施楣梧

(軍事科學院系統工程研究院軍需工程技術研究所，北京，100010)

單兵戰場防護裝備是指軍人個體使用的，在戰場上用來保護個人生命安全健康、發揮戰士戰術技術水平的裝備品。雖然稱為戰場防護裝備，實際上也同樣使用于單兵的訓練場合及執行非戰爭軍事行動的場合。一方面單兵負載著防護裝備進行跋山涉水、擒拿格斗、射擊爆破、隱蔽潛伏等軍事行動及其他非軍事行動；另一方面防護裝備需要適應不同季節、不同環境、不同作戰樣式。因此，單兵戰場防護裝備應該是輕質、高強、柔軟、可攜帶、可變形、可對環境與人體間的能量透通和物質透通有一定的阻隔效果，具體表現為防沖、隔熱、透氣、透濕等特性。而能兼具以上性能的材料，只有纖維制品能夠勝任。這就是纖維制品作為單兵戰場防護裝備基本原材料的特點和優勢。

1 單兵戰場防護用纖維制品的分類

軍用纖維制品包括軍服、服飾、裝具、生活用品以及群體和武器裝備用纖維制品[1]。單兵戰場防護用品是采用纖維及其他材料，通過結構設計，對力學沖擊能、熱能、電能、光能、化學能和物質(包括核、生、化、空氣、水氣等)起到盡可能合理而有效的阻隔狀態，給單兵提供保護生命安全、發揮戰術技術水平、降低生理負擔的最后一道防線。在戰場上、訓練場上和在執行各種勤務時起到對單兵人體防護作用的纖維制品包括作訓服和普通工作服、特殊環境防護服、彈道防護用纖維制品、高溫燃燒防護服、有害物質或能量的防護服。

作訓服和普通工作服是指對一般臟污環境和磕碰、鉤掛、摩擦、磨損等一般性機械損傷起到防護作用的纖維制品。特殊環境防護服包括防高溫工作服、防高寒工作服、高空低氣壓、缺氧和大過載飛行的工作服、防蚊服、救生衣、航母甲板識別服等。彈道防護用纖維制品包括防彈防爆裝備、防刺防砍裝備和炮兵防震背心。高溫燃燒防護服包括阻燃作戰服、損管防護服等。有害物質或能量防護服包括核生化防護服、防微波服、強磁防護服、防靜電工作服、防酸工作服、核潛艇核沾染防護服和推進劑防護服。

2 單兵戰場防護用纖維制品的發展現狀

2.1 作訓服

作訓服是軍人作戰、訓練、勞動和執行其他勤務時穿著的制式服裝，起到在臟污環境和容易發生磕碰摩擦的環境下對單兵一般性的保護作用[2-3]。作訓服按使用季節分夏作訓服和冬作訓服，但實際上夏作訓服使用于春、夏、秋三季，使用最為頻繁，需要良好的透氣性、透濕性和較低的熱阻；冬作訓服則需要有良好的防風性，以便與內層保暖服裝相結合實現良好的保暖效果。作訓服的防護功能是建立在面料的高強性能基礎上的[4]。作訓服面料不宜采用對位芳綸、超高分子量聚乙烯等高價位的高強纖維，也不宜大量使用高強滌綸、高強錦綸等熱塑性纖維，以免接觸高溫火焰時發生熔融滴落導致燙傷，故國內外軍隊作訓服所采用的纖維面料為錦綸棉、滌棉混紡等，也采用經處理的純棉或純化纖織物。因美國的錦綸資源比較豐富發達，多采用錦綸棉混紡織物作訓服面料，但錦綸存在不耐曬的問題，使用壽命較短，對于錦綸資源欠缺的國家，多采用滌棉混紡織物。

我軍作訓服面料經歷了87式即滌/棉65/35平紋布，后續的網格化增強改良、07式即滌/棉/維綸60/20/20 兩上一下斜紋布及最近武警配發的新夏迷彩作訓服高支高強化的發展過程[3-4]。其中07式作訓服面料在研發和采用高強耐磨維綸增強后，作訓服面料的強度和耐磨性能有大幅度的提高，經緯向強度由87式的1 050×750 N、耐磨次數125次，提高到07式的1 400×900 N、耐磨次數900次，解決了部隊作訓服按標準配發后不耐穿的問題。盡管采用了粗紗號、低密度的設計思路，有不亞于87式的透氣性和透濕性，但07式的單位面積質量比較高，且使用中強度有盈余，特別是海軍等沒有摸爬滾打動作的軍兵種，戰士退出現役時作訓服依然嶄新無磨損。因此為減薄作訓服面料提供了可能。

2016年武警部隊作訓服通過進一步提高高強耐磨維綸的原料聚合度來提高強度、通過改變紡紗方法降低維綸在紗中的滑移率來提高紗線強度[5-6]；并通過降低紗線細度、改變染整加工方式，使作訓服面料在保持配比不變的前提下，單位面積質量達到193 g/m2，比07式夏作訓服減輕15 g/m2，而經向強度達到1 600 N以上，透氣性也有近成倍的增加。

高強耐磨維綸強度高、耐磨性好、可染色、耐候性好。相比于錦綸、滌綸、棉、麻等其他纖維具有良好的性價比，是用于作訓服面料的理想纖維材料。而美國軍隊常用的錦綸纖維日曬后強度容易降低且價格高，并且對于耐溫性好的PA66，國內尚無生產其中間體已二腈的能力。故從技術角度看，在紡紗和染整過程中充分發揮高強耐磨維綸的力學性能，將使高強耐磨維綸成為作訓服、乃至一般工裝的重要增強元素。

2.2 阻燃服

我國武裝力量中裝備阻燃服裝的戰斗群體尚屬少數，除戰斗機飛行服、火箭軍作戰服、航母甲板識別服、武警特戰服和救援服等部分群體人員外，絕大多數單兵使用的作訓服不具有阻燃功能。因此，阻燃作戰服已成為亟待研發的重要單兵防護用纖維制品。

阻燃面料可由普通紡織品經阻燃整理制得或由阻燃纖維經紡織染整加工制得。普通紡織纖維及其織物采用阻燃整理的方法將阻燃劑施加于面料，從而可將普通面料制成阻燃面料。但由此制得的阻燃面料普遍存在強度低，特別是撕裂強度低、手感發硬、阻燃效果不耐洗滌的問題。

人造纖維在紡絲加工中通過接枝共聚、嵌段共聚或共混添加各種阻燃劑，包括鹵系、磷系、氮系、硅系、硼系阻燃劑及其復配物，可實現纖維的阻燃化。如果在阻燃劑配方設計中形成多元素協同效應，可顯著提高其阻燃性能。但改性阻燃纖維以普通人造纖維為基礎材料，耐溫性差、強度較低，例如阻燃粘膠纖維燃燒時有煙且煙霧有毒；對于熱塑性纖維改性制得的阻燃滌綸、阻燃錦綸等纖維還存在遇熱熔融滴落問題，易造成使用者皮膚燙傷。因此，改性阻燃纖維尚不能成為阻燃面料的主要原材料，但其價格較低、可以染色的特點使其為生產軍用迷彩阻燃面料提供便利條件。

間位芳綸PMIA、芳砜綸PSA、聚芳噁二唑POD纖維、聚酰亞胺PI纖維、聚芳酯纖維Vectra、聚酰胺-酰亞胺纖維Kermel、聚醚醚酮纖維PEEK、聚對苯撐苯并二噁唑PBO纖維等本質阻燃纖維具有最優秀的阻燃和耐高溫性能。但有的品種國內尚未能工業化生產，例如PBO、PEEK、Kermel和Vectra，有的品種價格極高，例如PBO、PEEK、PI不適合應用于紡織品。我國目前已工業化生產且價格適合紡織品使用的本質阻燃纖維主要有間位芳綸、芳砜綸和POD纖維。但這些纖維手感偏硬、舒適性差，不能染色或遇紫外光變色強度降低，其價格通常比改性阻燃纖維貴一倍左右。因此，從目前適合紡織品使用阻燃纖維的性能和價格看，國內外均未出現兼具阻燃性、強度、染色性、舒適性、防熔滴、且低成本特性的阻燃纖維，故不可能由單一阻燃纖維制得理想的阻燃作戰服面料。

某典型品牌采用93%間位芳綸、5%對位芳綸和2%導電纖維混紡而成阻燃纖維，應用廣泛。其中對位芳綸強度遠高于間位芳綸，是典型的防彈材料用纖維，但其斷裂伸長率極低，故織物受力時對位芳綸容易首先張緊斷裂，影響了受力的均勻性和斷裂同時性，從而在對位芳綸含量較低時會導致整體降強。某軍警阻燃面料研制中添加5%的對位芳綸，結果導致織物強度降低17%。這一配方無法染色，只能采用更加昂貴的原液著色方法制成原色纖維。染色性差的纖維通常舒適性也差且手感較硬。某些品牌的間位芳綸還存在陰燃時間過長的問題，導致面料的陰燃指標超出我國阻燃防護服標準的A級要求。另一種國際上典型的阻燃面料是由Kermel纖維和蘭精阻燃粘膠以50︰50左右的比例混紡而成的，在歐洲得到普遍采用。由于Kermel纖維不可染色，故也只適合于生產單色織物。Kermel的價格與間位芳綸相當甚至更貴；奧地利蘭精公司生產的阻燃粘膠強度可比國產阻燃粘膠高0.4 cN/dtex～0.7 cN/dtex，但價格為國產阻燃粘膠的近一倍。故這一配方在強度和經濟性方面沒有優勢。美軍曾采用60%阻燃粘膠、25%對位芳綸和15%錦綸的混紡比制造阻燃作戰服面料并裝備駐伊拉克士兵。因對位芳綸的斷裂伸長太小且添加量相對有限，故在使用中普遍出現衣服大變形部位破裂的現象。事實上，采用耐光性能較差的對位芳綸和錦綸作為作訓服面料，本身就存在設計缺陷。國內廠礦除采用芳綸體系外，還使用腈氯綸棉混紡制備染色或印花阻燃面料，強度較低，且煙霧有毒，但價格比較便宜。整理型阻燃面料，多應用于廠礦企業或賓館等公共場所的阻燃紡織品。

2012年以來，武警特戰服和武警救援服采用國產的芳綸、高強阻燃維綸、聚芳噁二唑纖維等多種纖維混配研制，并成功裝備了一系列阻燃性能達到我國國標GB8965.1—2009《防護服裝 阻燃防護》之A級水平、性價比較高的阻燃面料[7-9]，已經應用于武警特戰服和救援服、原濟南軍區赴蘇丹救援部隊，以及企業的阻燃工作服。武警阻燃特戰服面料的強度標準值：經緯紗斷裂強度900 N×700 N；耐平磨次數大于900次；透氣率大于80 mm/s；透濕量大于9 000 g/(m2·d)；電荷面密度小于2.5 μC/m2；續燃時間0 s、陰燃時間0 s、損毀長度小于50 mm，燃燒狀態為碳化，無熔融滴落。甲醛含量和pH值滿足GB 18401—2010《國家紡織產品基本安全技術規范》B類要求。

采用多種阻燃纖維混配形成協同效應，較好兼顧了阻燃面料的強度、阻燃性、防熔融滴落、迷彩印花效果、親水性、舒適性及低成本要求，從技術和市場角度看，是阻燃面料的未來發展方向。

2.3 電磁防護服

現有的電磁屏蔽材料采用金屬導電層反射和吸波層吸收的方法對電磁波實現屏蔽。通常會因反射層導致敵方雷達容易偵察到被屏蔽裝備的位置；吸波方式實現屏蔽時需要厚重的吸波體方可達到較高的屏蔽效能，導致屏蔽體笨重；且在屏蔽敵方電磁信號的同時也造成我方電磁信號中斷；目前國內外尚未出現大面積攔截電磁信號的軍用或民用裝備。

在單兵防護方面，高屏蔽效能的電磁輻射防護服需要制成全身密閉的結構形式，導致使用者熱負荷大，穿用時間稍長就難以忍受，影響戰術技術水平的發揮，并且全頻段無差別屏蔽，將導致我方通信失效，不利于戰斗員與指揮部及戰斗員之間的聯絡。

根據頻率選擇表面即FSS理論，周期結構表面即重復結構單元沿一維或二維方向周期排列所形成的列陣表面對電磁波具有帶通或帶阻、高通或低通特性，而重復結構單元包括十字、Y形等中心連接型單元，圓環、方環、六邊形環等環形單元，方塊、圓形等實心單元，以及由上述各類單元組合而成的組合單元。在導體平面上開孔形成上述周期排列的重復單元、或在介質平面上黏貼導電單元或電阻單元，可以根據材質的搭配、形狀尺寸的設計，使該表面實現電磁波的選擇性透通。這種基于紡織品的頻率選擇表面不難實現，例如對有孔織物金屬化處理、織物局部電鍍或濺射、導電長絲用電腦繡花以及采用涂層方法在織物上形成導電單元或電阻單元列陣等，具有質輕、柔軟、帶通頻率可設計等優點[10-11]。采用這種方法制備的電磁屏蔽帳篷，可讓特定頻率的通信信號順暢通過，而對其他頻率的電磁波均實施截止；同時采用這種方法制成的電磁屏蔽服裝，也有利于利用非封閉孔道提高透濕透氣性能，降低單兵的熱負荷，提高戰斗力。

針對未來武器發展趨勢，一種重要的戰場攻擊模式即電磁脈沖的攻擊方式，急需研發一種新型單兵防護裝備。即電磁武器瞬間產生強電磁場，除了對微電子設備產生瞬間損傷,導致設備癱瘓外，這種電磁脈沖也對單兵產生傷害。這種寬頻強脈沖電磁場的進攻方式對人體的損傷機理尚在研究之中，防護方法除了傳統的反射、吸收外，研究者還在尋求其他新的屏蔽途徑。

3 單兵戰場防護用纖維制品的發展方向

單兵戰場防護用纖維制品的發展呈系列化、高防護化、輕量化、智能化、舒適化、系統化的整體發展方向。

系列化。戰場防護用特種紡織品，應按照作戰環境和氣候條件，形成諸如熱區、寒區、沙漠、叢林等區域作戰防護服裝；按照軍兵種作業特點形成海勤、空勤、地勤等系列防護裝備。

高防護化。在未來高技術局部戰爭中，作為作戰主體的士兵，將面臨大規模殺傷性武器、高精度打擊武器、先進偵察器材、極端氣候條件、復雜地理環境、各種致病載體等多重戰場傷害。單兵戰場防護用纖維制品應該能提供全面、均衡、多樣的防護能力。

輕量化。現代戰爭突發性強，保持部隊旺盛的體力，是具備快速反應能力和連續作戰能力，奪取未來高技術局部戰爭勝利的重要因素，減輕單兵負荷量是實現這一要素的重要途徑。積極式保暖服裝、多功能服裝一服多用、改進軍服層次配套是輕量化的有效措施。

智能化。作為身處數字化戰場的士兵，軍服還必須為士兵提供信息處理與通信指揮能力，使士兵在未來戰場上看得更清、聽得更遠、打得更準。智能軍服已成為當今軍服研究的熱點與亮點，是未來軍服必然發展趨勢。例如使軍服兼具通信能力、環境感知能力、色彩和保暖量自動調節能力、著裝者生理指標檢測和發送能力等。

舒適化。軍服的舒適性主要體現在減輕負荷、冷熱適宜、衣內微氣候調節、保健衛生功能等方面。為實現軍用紡織品的舒適化，應從采用新型輕質材料、改善軍服的結構設計、使用調溫纖維、高吸水合成纖維、防水透濕透氣織物等入手，提高軍服的功效性能。

系統化。軍用紡織品除了自身配套的系統化之外，還必須與后勤裝備合理配套，與作戰武器裝備合理配套，將單兵戰場防護用纖維制品有機納入 “士兵系統”的整體中，去除冗余，發揮功效、提高技戰術水平。