織物增強柔性防刺復合材料的研究進展

王秋實，何彩婷，王 珊，陳美玉，梁高勇，孫潤軍

(1.西安工程大學 紡織科學與工程學院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學 功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室，陜西 西安 710048；3.軍事科學院系統工程研究院，北京 100010)

在我國嚴格的槍支管控制度下，境內執法活動主要面臨管制刀具和其他尖銳物體的潛在威脅，因此防刺服成為公安武警必備的安全防護裝備。現有的警用防護裝備廣泛使用插板式防刺服，金屬或陶瓷插板的密度大、硬度高，穿著時靈活性和舒適性較差，因此開展輕質、柔軟的防刺復合材料的研究與開發，對于保障公安武警生命安全，維護地方治安穩定具有十分重要的現實意義[1-2]。

縱觀國內外柔性防刺材料的發展歷程，柔性材料的研發及其防刺性能的提升與對位芳綸、超高分子量聚乙烯等高性能纖維織物的應用以及柔性復合材料的發展密切相關。目前，通過機織、針織或者非織造等方式加工得到的高性能纖維織物，在與剪切增稠液、硬質顆粒涂層等柔性基體復合后，可以得到防刺性能良好且相對較為舒適的柔性防刺材料。

高性能纖維織物與不同類型的柔性基體復合后，其柔韌特性、防刺效果和失效機制差異顯著。為闡明不同柔性防刺復合材料的特點和優勢，為今后的材料研發提供一些參考，本文以上述材料的柔性基體作為切入點，從結構和性能特征、防刺機制等方面對其研究現狀進行系統介紹分析。

1 剪切增稠型柔性防刺材料

剪切增稠液(STFs)是一種非牛頓流體，受到一定速率的剪切作用時聚集狀態從液態轉變為固態，通過STFs浸漬織物方式制備的復合材料可以最大限度保留織物的柔韌特性，因此迅速成為防刺材料領域的研究熱點[3-5]。STFs浸漬后的織物表面和間隙被其覆蓋和填充，但紗線和織物的基本結構特征仍相對獨立，STFs與紗線之間保持柔性連接。

目前，剪切增稠型柔性復合材料的相關工作主要集中在STFs的流變特性與復合材料防刺性能的關系以及STFs浸漬織物復合材料的防刺機制研究等方面[6-9]。

1.1 剪切增稠型柔性防刺材料性能研究

近年來，國內外研究人員使用二氧化硅(SiO2)作為分散相，聚乙二醇(PEG)作為分散介質，研究了該體系STFs與不同類型的高性能纖維織物復合后材料的防刺性能和相關機制。實驗結果均表明，STFs的浸漬對于提升材料的防刺性能具有積極作用[10-13]。

STFs中分散相、分散介質的組成、性質以及環境條件等因素均會對STFs體系的流變性能和復合材料的防刺性能產生影響。

1)分散相。分散相濃度是STFs體系流變性能最主要的影響因素，在一定濃度范圍內，分散相濃度的增加會引起STFs剪切增稠效果的增強[6]。通過對分散相進行表面改性或者組成多類型分散相的方式，還可對復合材料的性能進行優化。劉星等[14]使用等離子體對納米SiO2進行表面改性，改性后的SiO2粒子表面被刻蝕，活性基團數量增加，粒子之間的摩擦阻力增大，在防刺性能方面表現為復合材料的最大錐刺載荷提升了76%。路瑤[15]使用硅烷偶聯劑KH560對SiO2進行改性處理，40 nm SiO2/PEG400體系STFs制備的柔性復合材料在受到動態穿刺時，穿刺深度從12 mm下降至10 mm。在STFs中加入其他分散相形成的多相STFs，同樣也會引起復合材料防刺性能的顯著提升。Liu等[16]通過向SiO2/PEG體系STFs中添加碳納米管研究芳綸(Kevlar)/多相STFs復合材料的防刺性能。實驗結果表明，多相STFs浸漬芳綸織物后，其最大穿刺力從746 N提升至1 232 N。Hasanzadeh等[7，17-18]的研究結果也表明，低維碳納米材料的引入會因進一步提升了紗線間的摩擦作用而促進STFs剪切增稠的發生，增強防刺效果，同時織物的失效模式也由紗線滑移變為斷裂。

2)分散介質。分散介質的分子質量和親疏水性能也會對STFs及其復合材料的防刺效果產生影響。俞科靜等[19]通過復配的方式，研究了PEG200和PEG600這2種分散介質對材料性能的影響，結果表明，復配可改善STFs/非織造織物的防刺效果，防刺性能最多可提升7.13%。秦建彬等[20-22]選擇離子液體作為分散介質，研究了分散介質的親疏水性能對STFs流變性能的影響，結果表明，親水性離子液體具有剪切增稠效果，而疏水性離子液體則呈現剪切變稀的現象。

3)環境條件。考慮到防刺服的使用工況，Wang等[23-24]研究了環境溫度對STFs體系以及復合材料性能的影響，結果表明，環境溫度的降低可有效提高剪切增稠效果，改善剪切增稠觸發條件，當環境溫度從35 ℃降低至-15 ℃時，STFs的臨界剪切速率從17.20 s-1降低至0.23 s-1，剪切增稠率也從24.04倍增加至38.68倍。

1.2 剪切增稠型柔性防刺材料防刺機制

織物/STFs復合材料中剪切增稠作用對于提升材料防刺性能的效果毋庸置疑，但是關于動態穿刺過程中材料的防刺機制仍存在爭議，問題主要集中在2個方面：一是STFs在復合材料受到穿刺過程中剪切增稠現象的響應機制尚未完全明確；二是剪切增稠觸發產生的能量耗散與STFs浸漬引起的紗線間摩擦性能提升在防刺效果提升方面的權重關系尚未明確。

1)紗線間的摩擦增強。這種觀點傾向于認為復合材料中的剪切增稠現象并未發生，實際上是由于STFs中SiO2顆粒的存在，增加了紗線的表面粗糙程度，提升了紗線間的摩擦作用，從而在穿刺時增加了阻力，產生了更多的能量損耗。Decker等[4,25]的實驗表明，STFs的黏性應力傳遞以及纖維間硬質顆粒的摩擦作用對受沖擊區域紗線滑移現象的有效減弱是防刺性能提高的主要原因。

2)剪切增稠的觸發作用。這種觀點則認為動態沖擊作用下，復合材料中的剪切增稠現象得到了觸發。在穿刺過程中，外力沖擊產生的剪切作用使得STFs由液體迅速轉變為固體，固體STFs阻礙了刀具的穿刺作用，同時吸收了部分沖擊能量。Mawkhlieng等[26]通過設計單分散和多分散STFs體系的流變性能、復合材料紗線間的摩擦性能和沖擊性能對照實驗，提出了復合材料中剪切增稠行為的觸發在材料防刺性能提高方面占據主導作用的理論觀點。Wang等[23]通過在-15 ℃的環境溫度下對STFs及其復合材料分別進行流變性能和單紗拔出性能測試，不僅直接證實了復合材料中剪切增稠現象的觸發，還建立了單紗拔出測試的應變速率與STFs臨界剪切速率之間的數學模型，初步實現了復合材料中剪切增稠現象觸發所需應變條件的理論預測。

2 硬質顆粒涂層柔性防刺材料

使用陶瓷材料制備的防刺插板具有良好的抗穿刺效果，但其硬度較大，穿著時活動受限，因此研究人員選擇硬質陶瓷顆粒涂覆高性能纖維織物的方式，在一定程度保留陶瓷材料防護作用的同時，使防刺材料更加柔軟舒適。使用碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)等硬質顆粒與黏合劑混合后對高性能纖維織物進行涂層可以制備此類柔性防刺材料。實驗結果表明，由于織物表面摩擦的增加以及硬質顆粒對刀具的鈍化作用，材料的防刺性能也顯著提高。

2.1 硬質顆粒涂層柔性防刺材料性能研究

硬質顆粒的粒徑、涂層厚度、涂層方式等因素均會對材料的防刺性能和舒適性能產生影響。總的來說，隨顆粒粒徑的增大，防刺性能的測試結果會出現最優解，而涂層厚度與粒徑比值的增大會對材料的防刺性能產生積極影響。

王新厚等[27]通過在滌綸機織物上涂覆不同粒徑的SiC顆粒制得了一種柔性防刺復合材料，并且研究了SiC顆粒大小和涂覆方式對該復合材料動態防刺性能的影響。結果表明，相比150和250 μm的顆粒粒徑，采用180 μm SiC顆粒制得的復合材料其防刺性能最好，此時6層單面雙層涂覆方式下，材料的刺破強力可達141.62 N，優于雙面單層涂覆方式的119.11 N。楊婉秋等[28]采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)織物和B4C粒子制作防刺織物，探究了硬質顆粒涂層的粒徑和涂層厚度等參數對織物防刺性能的影響。結果表明：涂層織物的涂層厚度與粒徑的比值越大，越有利于織物防刺性能的提升；當涂層厚度為100 μm，顆粒粒徑為5 μm時，單層涂層織物的最大準靜態刺割力達到30.72 N；此外，涂層溫度和顆粒含量也會對材料性能產生影響。Nayak等[29]通過B4C涂層芳綸和防彈錦綸平紋織物的方式制備了一種柔性防刺材料，并對其準靜態防刺性能和熱舒適性進行了測試與分析。結果表明，B4C涂層雖然可顯著提高織物的防刺性能，但是材料的透氣性能下降了87.53%，熱阻和濕阻分別增加了370.00%和113.62%。

2.2 硬質顆粒涂層柔性防刺材料防刺機制

硬質顆粒涂層使織物表面涂覆一層陶瓷微球，從而形成對高性能纖維織物的有效保護，通過黏合劑黏附在織物表面的硬質顆粒，也使得織物的表面摩擦增加，穿刺過程中紗線的相對滑動減弱。此外，硬質顆粒對刀具、長釘的鈍化作用以及刀具接觸硬質顆粒時的摩擦自鎖也是織物防刺性能提高的重要原因。

1)硬質顆粒的鈍化作用。SiC顆粒等硬質顆粒涂層柔性防刺復合材料在受到刺刀攻擊時，主要通過硬質顆粒對刺刀起到阻礙作用，并在此過程中產生能耗。結合涂層織物的刺破強力與位移曲線，可將該穿刺過程分為以下3個階段：伴隨刀具刺入，首先發生的是硬質粒子與刀尖的剛性接觸；然后刀具通過刺穿硬質顆粒侵入織物；最后，硬質顆粒的粗糙表面會鈍化刀刃，進一步減弱刀具對織物的切割作用。織物背面大量的粉末狀硬質粒子可以有效佐證上述分析[27]。

2)硬質顆粒的摩擦自鎖作用。硬質顆粒除會對刀刃產生鈍化作用外，在與刀尖接觸過程中還存在摩擦自鎖現象。

刀具尖端接觸織物上表面時會與表面的硬質顆粒接觸，此時刀具的穿刺力F可以分解為切向摩擦力FS和法向剪切力FN，如圖1所示，當刺入角α(剪切力FN與穿刺力F的夾角)越小時，穿刺力的法向分量FN越大，剪切作用越強。根據刀具受到的摩擦力F′S和法向反力F′N合成得到的全反力FRA，判斷刀具刺入時出現摩擦自鎖的臨界平衡狀態。當摩擦力達到最大靜摩擦力FSmax時是摩擦自鎖的臨界狀態，由于法向方向上FN與F′N大小相等，因此摩擦角φm的正切等于靜摩擦因數，即：

圖1 刀尖在織物表面的受力分解情況Fig.1 Force decomposition of knife tip on fabric surface.(a) Puncture action of knife tip on fabric surface;(b) Hindrance of fabric surface to knife tip

式中：φm為摩擦角，(°)；FSmax為最大靜摩擦力，N；FN為法向剪切力，N；F′N為法向反力，N；fs為硬質顆粒與刀尖之間的靜摩擦因數。

從三維空間角度考慮刀具穿刺時自鎖發生的角度范圍，發生自鎖的三維區域是一個錐角為φm的圓錐。當刺入角處于圓錐范圍內時，刺刀發生自鎖，刀尖將刺入織物，對織物的破壞力較大；反之，刀尖將于織物表面發生滑動作用，對材料的刺穿損傷較小[30-32]。

3 樹脂增強柔性防刺材料

相比剪切增稠型和硬質顆粒涂層型柔性防刺材料，使用樹脂作為基體制備得到的防刺材料可利用纖維與基體之間的界面結合有效限制穿刺過程中的紗線滑移，但樹脂固化會對高性能纖維織物的柔軟性和舒適性產生不利影響。近年來，部分科研人員針對這一短板從熱塑性樹脂的材料選擇和熱固性樹脂基復合材料的結構設計方面開展了一系列的研究工作，此類材料已經成為柔性防刺材料領域的新增長點。

3.1 樹脂增強柔性防刺材料性能研究

1)熱塑性樹脂。部分熱塑性樹脂的熔點相對較低，在室溫條件下仍然具有一定的柔性，適合作為基體制備柔性防刺材料。其中，樹脂類型、復合工藝和添加物等因素會對復合材料的防刺性能產生影響。Li等[33]制備了一種柔性防刺UHMWPE纖維無緯(UD)布/熱塑性薄膜復合材料，研究發現，通過對UD布進行對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚丙烯(PP)覆膜處理，織物的抗穿刺能力顯著提高，且復合材料穿刺動能吸收主要為來源于拉伸斷裂和材料分層。Hosur等[34-35]研究了聚乙烯(PE)、沙林和共擠PE-沙林熱塑性樹脂處理芳綸織物的刀刺和釘刺性能，結果顯示通過提高抗剪切性能與減少紗線滑移相結合提高了織物的防刺性能，此外熱塑性薄膜還需要與織物得到良好的結合以獲得協同增強效果。雷鵬等[36-37]通過在水性聚氨酯(WPU)樹脂中添加納米SiO2、SiC等硬質顆粒進一步提升了WPU/織物復合材料的動態防刺性能。實驗結果表明，納米SiO2和SiC顆粒的添加分別可使單位面密度復合材料的最大穿刺力提升約20%和35%。

2)熱固性樹脂。熱固性樹脂復合材料在室溫下硬度較大，因此研究人員通過對不同形狀樹脂片的層內布局和層間排列進行結構設計，開發了一系列熱固性樹脂柔性防刺材料。劉娟等[38-39]設計了一種基于圓形熱固性樹脂的多層結構柔性防刺服，通過闡明復合材料空隙率對柔軟性、抗穿刺性能的影響，發現了隨著空隙率的減小，柔韌性降低、防刺效果提升的基本變化規律，且空隙率為21.03%的試樣可更好地兼備柔軟性和防穿刺性。當使用上述材料與芳綸UD布疊層組合時，自上而下按2層樹脂防刺材料、15層芳綸UD布、1層樹脂防刺材料組合而成的防護服的防刺效果較好。董繼萍等[40-41]通過系統實驗確定了“正六邊形的硬質樹脂片+高性能織物”的柔性防刺材料組合方案及具體結構參數。結果表明，當有4層樹脂片遮擋就可使整個防刺服都具有良好的防刺能力，且穿著舒適性較好。

3.2 樹脂增強柔性防刺材料防刺機制

熱塑性和熱固性樹脂由于織物與基體的結合方式不同，防刺機制差異顯著，需要分別進行討論。

1)熱塑性樹脂基體對紗線的固定作用。織物與熱塑性基體復合后，除強度、模量等基本力學指標增強，相較于剪切增稠液對紗線間滑移的減弱效果，基體與織物之間的界面結合還使得紗線間的滑動幾乎被完全限制。這一作用使得刀具長釘在侵入織物時，雖然織物上存在因紗線滑移形成的孔洞，但是變形面積明顯更小且存在較多的纖維斷裂，此時高性能紗線能夠更大程度發揮其在拉伸、剪切方面的力學特性[34-35]。

2)熱固性樹脂基體對刀具的直接阻擋。此類防刺材料由特定形狀的硬質樹脂片按特定形式排列而成。雖然材料因為樹脂片間空隙的存在而呈現柔軟特征，但材料局部是硬質的；因此，當刀具長釘穿刺材料時，會受到相互重疊排列的熱固性樹脂的直接阻擋，從而起到防刺作用[38-39]。

4 其他類型柔性防刺材料

除了以織物作為預制件的柔性防刺材料以外，部分研究人員還嘗試通過金屬材料的仿生學設計，在保持材料柔性特征的同時，使其具有良好的防刺性能，這也是柔性防刺材料未來的重要發展方向之一。

袁夢琦等[42]設計了一種鈦合金三棱錐仿生物裝甲型防刺基板，并且基于防刺服靈活性和透氣性的考慮，設計了一種過渡結構用鉚釘來連接防刺基板。由于三棱錐結構對刀具的沖擊力具有分散作用，避免了沖擊動能的集中破壞，使得三棱錐結構比平板的防刺性能要高得多。相比現有的大部分防刺服，該防刺服能更有效抵御刀具的沖擊，且質量輕、制作周期短，具備較高的可穿戴性。同時，連接處空隙的存在，加強了整個防刺層的透氣性，使服裝熱濕舒適性有所提高。

5 結束語

鑒于目前對于穿著輕便、舒適性良好的防刺服裝的迫切需求，以高性能纖維織物為載體的柔性防刺材料的研究與開發仍將保持快速的發展態勢。本文以織物增強柔性防刺復合材料的基體類型為主題，對國內外相關研究成果進行了梳理，并對復合材料的防刺機制進行了總結和凝練。基于當前的研究現狀，未來柔性防刺復合材料的發展需要繼續以高性能纖維織物的結構設計為基礎，通過整合現有各類復合方式在防刺機制方面的特點和優勢，將各種柔性復合方式有機組合，研發復合型的織物增強柔性防刺復合材料，實現警用防護裝備輕質舒適的設計目標。

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