芳纶Ⅲ材料在防弹装备领域的应用

芳纶Ⅲ材料在防弹装备领域的应用
摘   要：防护材料的先进性决定了防护装备的先进性，新型芳纶Ⅲ防弹材料的卓越品质对提升个体防护装备的高效、舒适、轻量化具有重要意义。简要介绍了国内外常用软质防弹材料的优缺点,通过对比分析,重点解析了芳纶Ⅲ具有的优异综合性能，并以芳纶Ⅲ在防弹装备上的应用实例测试数据，论证了其在防弹性能及轻量化等多方面具有突出优势，展望了芳纶Ⅲ材料有望占领高端软质防弹装备领域的至高点。

关键词：芳纶Ⅱ   芳纶Ⅲ   杂环芳纶   超高分子量聚乙烯   软质防弹材料

一、引言
“工欲善其事，必先利其器”，个体防护装备的发展紧跟武器发展的步伐，并在很大程度上依赖于防护材料的发展。从金属材料，到陶瓷材料、复合材料、高性能纤维材料、剪切增稠材料和纳米材料，防护装备材料一直向着高效、舒适、轻量化的方向发展，这对不断提高作战人员的机动性、战斗力、生存力至关重要。

据调查，我国军警普遍配发的防护装备还存在厚重、舒适性差等问题，造成穿着率较低，而没有穿着就等于没有防护。战场减伤模型的模拟结果显示，身着防护装备的重量、厚度、柔软度等指标直接影响军警的机动性，而防护装备性能的提升受制于防护材料的性能水平。在我国只有实现高性能防护材料的国产化，才能从真正意义上提升我国军警防护装备的品质。
二、目前常用防弹纤维介绍
警用防弹衣在公安部标准《GA141-2010警用防弹衣》中的解释是，能吸收和耗散弹头的能量、阻止穿透、减轻钝伤并有效保护人体防护部位的一种服装[1]。软质防弹衣采用高性能纤维为主要防弹材料，具有相当的柔软性，其防弹机理是通过纤维应变断裂及缓释冲击波、弹头变形等方式将能量传播或耗散，后织物将子弹“抓住”起到防弹作用。符合《GA141-2010警用防弹衣》标准的软质防弹衣的防护等级分为1～3级，如需要将防弹等级提升到4～6级，一般采用在软质防弹层外侧加装高防护等级的防弹插板，或单独使用防弹插板，用于增强防弹衣在特定区域的防弹性能。防弹插板一般采用高性能纤维层压板、金属板、高性能纤维与陶瓷材料复合等方式，比较厚重。因此软质防弹衣是军警个体防护的重要基础性装备，而防弹材料对防弹衣的性能起着决定性影响。
目前国内外普遍采用的高性能防弹纤维主要有芳纶和超高分子量聚乙烯。

（一）芳纶系列
芳纶是由芳香族聚酰胺树脂纺成的纤维，1972年首先由美国杜邦公司研制成功，随后俄罗斯、荷兰、日本及我国都研制出具有抗弹性能的高性能芳纶纤维。
我国将芳纶纤维划分为[2]：
·芳纶Ⅰ，也称芳纶14，指聚对苯甲酰胺（PBA）纤维；
·芳纶Ⅱ，也称芳纶1414，指聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维；
·芳纶Ⅲ，也称杂环芳纶，指杂环芳香族聚酰胺纤维。
芳纶复合防弹材料是由芳纶或织物增强树脂基体制成的一类抗弹复合材料，其中应用普遍的是采用高速干湿法纺丝工艺生产的芳纶Ⅱ，主要品牌产品有：
·美国杜邦公司的Kevlar○R系列；
·日本帝人公司的Twaron○R系列（2000年之前为荷兰阿克苏公司所有）；
·俄罗斯的Terlon○R系列；
·中国的Taparan○R、Staramid F-2等。
芳纶Ⅱ纤维的颜色为浅金黄色，如图1所示。
芳纶Ⅱ的主要缺点是：耐光性差，曝露于可见光和紫外线时会产生光致降解，导致力学性能下降和颜色变化，而且其抗压强度低、吸湿性强，吸湿后纤维降强大，需密封保存。
芳纶Ⅲ，也称为杂环芳纶，其卓越品质将高性能纤维复合防弹材料的性能大幅提升，随着近年来国产关键技术的突破和产业化进程的不断推进，我国于2015年开始已经将芳纶Ⅲ应用于军警防护装备之中。
（二）超高分子量聚乙烯纤维
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维是继碳纤维、芳纶之后第三个取得大批量市场应用的高性能纤维[3]。该材料首先由荷兰DSM公司开发，1979年获得专利。UHMWPE纤维力学性能优异，其强度和模量都很高，且密度是高性能纤维中低的,使其具有极高的比强度和比模量,在高速弹丸冲击下，其能量吸收率约是芳纶Ⅱ的两倍；同时，其化学性质稳定，耐光性比芳优异，对水、酸、碱等介质均极稳定，抗老化性能强，吸湿性小,不受环境影响，抗弹性能优异。UHMWPE纤维颜色为白色。

UHMWPE纤维的缺点是：耐热性较差，熔点为140℃，且易蠕变，与聚合物基体粘结性差。蠕变是材料在恒定压力作用下，随着时间的延长，材料产生持续形变的过程。在80℃左右，UHMWPE纤维的强度和模量与室温时相比下降约30%，并且会发生蠕变；到140℃以上，纤维会直接熔化。UHMWPE纤维的蠕变现象比较明显，影响了其在高温条件下的使用。
三、芳纶Ⅲ材料的发展现状      
对于防弹用芳纶材料，美国及欧洲应用的主要是芳纶Ⅱ（如kevlar、Twaron），而俄罗斯应用的是芳纶Ⅲ系列（如Armos、Rusar），其综合性能远超芳纶Ⅱ，在芳香族聚酰胺系列中排名，而且不存在UHMWPE纤维的耐热性差与易蠕变等问题，用芳纶Ⅲ制造的防弹装备更轻、更薄。同时，芳纶Ⅲ作为非常重要的战略物资，在国防、航空航天领域具有重要应用价值，目前只有俄罗斯和中国能工业化生产。
回顾芳纶Ⅲ的发展史，尽管俄罗斯率先开发的芳纶Ⅲ与Kevlar（属芳纶Ⅱ）基本同期（均在1970年代）起步,且性能占有优势，但由于受体制、资金和技术等方面的限制，导致俄罗斯芳纶Ⅲ生产成本高，产业化水平低、规模小。当Kevlar大举进军国际市场并广泛应用于民用领域，产量达到数万吨时,芳纶Ⅲ却仍集中应用于航天、导弹和宇航设备等高尖端领域。
俄罗斯芳纶Ⅲ品种有Armos、Rusar等，其中Rusar在防弹方面处于领先地位，是世界公认的好的防护材料之一，但其对中国禁运和技术封锁。我国在1998年根据国家军工需要开始进行芳纶Ⅲ的研发，并于2005年由中蓝晨光化工研究设计院率先研制成功，其商品名为STARAMID F-3。经过几年的技术攻坚，目前国产芳纶Ⅲ拉伸强度达到5.0GPa，弹性模量达130GPa～160GPa，性能居国内批产有机纤维之首，达到俄罗斯Rusar批产产品水平。图3所示是俄罗斯芳纶Ⅲ长丝，图4所示是国产芳纶Ⅲ长丝（STARAMID F-3），两者在颜色上具有差异，俄罗斯芳纶Ⅲ呈棕色而国产芳纶Ⅲ（STARAMIDF-3）呈金黄色，如
一直以来，芳纶Ⅲ的独特性都被各国防弹专家所认可[4]，美国学者报道了对俄罗斯Rusar材料的研究结果，指出其纤维的动态强度超过了著名的PBO材料。Rusar防弹纤维也被英国、德国等检测机构反复测试，结果显示其性能在同类产品中优。同时，国际防弹市场调研报告指出，来自Rusar的防弹制品处于世界顶尖地位。英国利兹大学的科学家经过对比实验得出结论：Rusar纤维的稳定性是杜邦公司kevlar和帝人公司Twaron的2～2.5倍。图6所示为Rusar应用于防弹头盔和防弹衣等装备。
国产芳纶Ⅲ的研制成功，使我国成为继俄罗斯之后第二个拥有该技术的国家。目前国产芳纶Ⅲ正通过改进工艺流程，采取节能、降耗，减排等措施提高生产效率、降低生产成本并扩大产能，使芳纶Ⅲ成为高性价比的防护材料，能够在防弹领域发挥更大的作用，这也将大力提升我国防护装备的水平。
四、芳纶Ⅲ材料特性解析
与芳纶Ⅱ相比，芳纶Ⅲ的分子结构更复杂、力学性能更优异。芳纶Ⅱ与芳纶Ⅲ在化学结构上的区别如图7所示。芳纶Ⅲ是一种具有杂环结构的三元共聚对位芳香族聚酰胺纤维,由对苯二胺、对苯二甲酰氯、含有杂环结构的二胺等三种单体共缩聚而成，故称芳纶Ⅲ，也称杂环芳纶[5]。芳纶Ⅲ的杂环结构使其具有超高强度和超高模量，并且在耐高温、耐冲击、耐磨损、透波等方面均具有优异性能，而且也更有利于纤维与树脂的复合，从而综合抗弹性能更优异。另外，芳纶Ⅲ还克服了芳纶Ⅱ、PBO纤维的耐紫外性能较差等缺点，可以说芳纶Ⅲ是当今世界上已批产的综合性能好的有机纤维。
（一）力学性能
芳纶Ⅲ超高的拉伸断裂强度是其防弹性能优异的根本原因。防弹纤维的断裂强度越高，纤维的断裂能量吸收率越大，则纤维的防弹性能越好。图8是国产芳纶Ⅲ（StaramidF-358）与帝人公司芳纶Ⅱ（Twaron 2000）的力学性能比较。从图中可以看出两种纤维的断裂伸长率相差不大，均小于3.5%，但国产芳纶Ⅲ（StaramidF-358）的拉伸强度比帝人公司芳纶Ⅱ（Twaron 2000）高出了约40%[6]。
此外，苯并咪唑杂环结构的引入还有利于提升芳纶Ⅲ纤维与树脂的复合性能。相较于芳纶Ⅱ，芳纶Ⅲ纤维与树脂间能形成更高的机械式结合力和更强的范德华力物理吸附作用，有利于增强纤维与树脂间的界面结合力。图9所示是几种不同芳纶材料的力学性能比较，芳纶Ⅲ拉伸强度范围为4.7GPa～5.5GPa，比芳纶Ⅱ纤维高出30％～50％，芳纶Ⅲ弹性模量的范围是120GPa～150GPa，仅次于钢丝和碳纤维，且芳纶Ⅲ的密度仅为1.43g/cm3～1.45g/cm3，属于真正的轻质高强材料。
（二）耐热性能
芳纶Ⅲ具有良好的耐热性，其典型热失重曲线如图10所示。可以看出，芳纶Ⅲ在200℃环境下仍能保持较好的力学性能，在氮气环境中温度达到538℃时或在空气环境中温度达到520℃时才会分解，具有非常好的热稳定性[7]。
同时，芳纶Ⅲ比芳纶Ⅱ具有更优异的耐热老化性能。图11所示为芳纶Ⅲ与芳纶Ⅱ热老化曲线的比较，显示了芳纶Ⅲ与芳纶Ⅱ在220℃条件下放置800小时后拉伸强度的变化情况。结果表明，在高温条件下芳纶Ⅲ较芳纶Ⅱ（Kevlar）的强度保持率高，强度下降趋势更平缓。同时，测试两种材料在240℃空气中放置3小时后的纤维强度保持率，结果表明芳纶Ⅲ强度保持率达92%，而芳纶Ⅱ（Kevlar）仅为82%。
此外，芳纶Ⅲ除具有突出的耐热性能外，还具有优异的耐低温性能。实验发现，芳纶Ⅲ在－40℃条件下放置4小时后，测试其纤维的断裂强度与室温时相比几乎无变化（如表1所示）。
（三）耐紫外线性能
紫外线对芳纶Ⅲ有一定影响。芳纶Ⅲ长时间暴露于紫外线下，力学性能会降低，但相较于芳纶Ⅱ，芳纶Ⅲ强度下降趋缓。将国产芳纶Ⅲ（StaramidF-358）与帝人公司芳纶Ⅱ（Twaron 2000）在紫外线下进行稳定性比较，采用340nm紫外线不喷水照射360小时（紫外老化测试标准：GB/T16585-1996），结果表明芳纶Ⅲ的拉伸强度仅下降7%，而芳纶Ⅱ强度下降15%，如图12所示。对于防弹芯片来说，若将其密封于抽真空的黑色不透光、不透水、强度较高的防水布套中后，更是极大降低了光照对防弹芯片的影响。 
（四）其它性能
芳纶Ⅲ具有优异的阻燃特性，其极限氧指数高达42，且离开火焰不燃烧。另外，芳纶Ⅲ具有良好的耐湿性，可以长时间使用而不改变属性。如表2所示，中蓝晨光的高模芳纶Ⅲ（F-358）的回潮率仅为1.8%，而芳纶Ⅱ的回潮率较高，耐湿性较差，湿态下芳纶Ⅱ的性能会迅速降低。
五、芳纶Ⅲ防弹材料性能分析
（一）防弹性能优势
高性能芳纶材料应用于防弹装备，通常采用两种形式：一是将芳纶长丝单向平行排列并用特殊热塑性树脂黏结，再经0°/90°正交，复合层压制成UD无纬布，再用UD无纬布经叠层制成软体防弹芯片；二是将芳纶长丝织成的机织布或制成UD无纬布，再叠层用树脂固化，制成防弹头盔或防弹插板。因此，芳纶机织布或UD无纬布性能的优劣是决定防弹装备性能的直接因素。
由芳纶Ⅲ制成的机织布力学性能优异，如表3所示。该平纹机织物采用多尼尔（DORNIER）剑杆织机织造而成，对比测试结果表明：在相同面密度条件下，芳纶Ⅲ机织布的经纬向断裂强度较芳纶Ⅱ机织布高20～30%。
另外，不同材料的防弹性能可以用比吸能值SEA来表征[8]。SEA值越高就表示该防弹材料吸收这种弹的动能高，则此材料的防弹性能更好。与芳纶Ⅱ和UHMWPE材料相比，芳纶Ⅲ防弹材料具有更高的比吸能值，因此具有更优异的耐冲击性和防弹性能[9]。
（二）轻量化优势
芳纶Ⅲ材料良好的综合性能不仅体现在其优异的抗弹性能上，在轻量化方面也有出色的表现。芳纶Ⅲ防弹材料具有高强度、高韧性、抗冲击等优异性能，可为防弹衣、防弹头盔、防弹盾牌、复合装甲等提供更轻、更强、更安全的保护[10]。
有研究表明：相比其它防弹材料，芳纶Ⅲ减重效果明显。2007年12月美国堪萨斯州威奇托测试实验室的研究结果表明，由芳纶Ⅲ制备的盔甲板的面密度比kevlar板低27%，但其防弹性能却比kevlar板高出了12%[4]。许多国际专家也将芳纶Ⅲ和芳纶Ⅱ（Kevlar, Twaron)以及UHMWPE材料（Spectra, Dyneema）进行对比，发现芳纶Ⅲ防弹材料在防护领域具有更显著的减重空间，其防弹性能在同类产品中属优，处于国际防弹制品的顶尖地位。
总之，用芳纶Ⅲ制造的防弹装备不仅抗冲击性能更好，更轻薄，且耐热性优异，在高温条件下拉伸强度度几乎不受影响，不存在UHMWPE材料高温蠕变导致的性能下降，是作为军事防弹装备的理想材料。
六、芳纶Ⅲ材料在防弹装备中的应用
芳纶Ⅲ防护材料在防弹性能及轻量化方面具有的突出优势，对提升军警防护装备的品质具有重要而深远的意义。鉴于此，军委后勤保障部军需装备研究所率先开展了芳纶Ⅲ的应用研发工作，积累了大量的对比实验数据，为芳纶Ⅲ在防护装备领域的应用做出了突出的贡献，奠定了坚实的基础，并成功应用于武警防护装备中。紧随其后，公安部研究所也开展了芳纶Ⅲ在警用防护装备领域的应用开发工作，并于2016年推出芳纶Ⅲ系列防弹装备，注册商标为“金蝉甲”，为国产芳纶Ⅲ材料在警用防护装备领域的应用开创了先河。
（一）芳纶Ⅲ软质防弹衣
设计高性能防弹衣时，必须综合考虑防穿透和防钝伤两方面的功能，而防弹材料是决定防弹衣性能的关键因素，防弹材料的性能与纤维本身性能、织物结构、树脂基体种类以及产品的成型工艺都有很大的关系。
公安部研究所研制的芳纶Ⅲ“金蝉甲”防弹衣的防弹芯片采用国产芳纶Ⅲ（中蓝晨光STARAMID F-3）材料，通过特定树脂体系和独特加工工艺制成UD无纬布叠合而成。图13是芳纶Ⅲ“金蝉甲”防弹衣的打靶测试结果局部图，子弹变形后留在防弹层中，被防弹芯片牢牢“抓住”。经公安部特种警用装备质量监督检验中心全项检测，产品达到《GA 141-2010 警用防弹衣》标准。
芳纶Ⅲ“金蝉甲”防弹衣与防护等级相同的UHMWPE、芳纶Ⅱ防弹衣相比，在减重效果和轻薄程度等方面都具有明显的优势。以满足《GA141-2010警用防弹衣》标准的2级防弹衣为例，在减重方面，“金蝉甲”防弹衣芯片重量约１kg，比采用帝人公司TAWARON2000纤维制备的芳纶Ⅱ防弹衣轻33%，比采用各种不同品牌的UHMWPE纤维制得的防弹衣轻11%～43%，减重效果明显；在轻薄程度方面，“金蝉甲”防弹衣2级防弹芯片厚度不足５mm，整体结构轻薄隐蔽，是目前国内同等级防弹衣中薄的。
总之，国产芳纶Ⅲ软质防弹衣的研制成功对有效减轻了作战人员的负担,提高机动性、提高穿着率和战斗力具有重要意义。
（二）芳纶Ⅲ防弹头盔
防弹头盔是指能够吸收和耗散弹头能量，阻止穿透、减轻钝伤并有效保护人体头部的装备[11]。受限于防弹材料的防弹性能和头盔重量，目前国产防弹头盔的防弹等级普遍只能达到防弹衣的2级水平。由于UHMWPE纤维复合黏结技术难度大，且在耐热性、刚性等方面比芳纶头盔稍逊一筹，目前在非金属防弹头盔市场上还无法取代芳纶头盔的主导地位。芳纶Ⅲ防弹材料的研发成功，为提升防弹头盔的防弹等级提供了契机。目前更高防弹等级的芳纶Ⅲ防弹头盔已经研发成功，其防弹性能好、重量轻、综合防护性能高，较相同防弹性能的芳纶Ⅱ防弹头盔减重20～30%。图14所示为我国2015年9.3阅兵中武警特战分队使用了国产新型芳纶Ⅲ防弹头盔。
随着高性能纤维材料技术的不断发展，防弹头盔的性能也得到了不断提升，防弹头盔不仅要求有优异的防弹性能和良好的佩戴舒适性，同时较小的变形可以避免对头部形成非贯穿性钝伤，轻型化更能够有效提高战争中军队的快速反应能力、战斗力和防护能力，芳纶Ⅲ防弹头盔的成功研制具有非常重要的意义。
（三）芳纶Ⅲ防弹装甲
近十几年来,坦克车辆防护系统发展的一个重要趋势是轻量化和材料的多功能化。芳纶Ⅲ防弹装甲满足装甲轻量化的需求，能广泛应用于武装直升机、武装运输机、坦克、战略导弹、步兵武器、舰艇的弹道仓、指挥仓等装甲兵器，能有效提高车辆的机动性能。例如，新设计开发的三明治结构装甲披挂用防弹材料（如图15所示），采用芳纶Ⅲ与UHMWPE纤维的复合材料，在相同防护性能下相较于5mm厚的瑞典SWEBOR PRO500钢板结构减重达65%以上，能有效提高坦克车辆的战场生存能力及机动性能。同时，装甲外侧的芳纶Ⅲ材料能有效防火阻燃，抵挡150℃以上的高温冲击和有效抵抗装甲变形，具有防辐射、透波能力好、耐高低温、阻燃等要求，满足《GJB6109-2007防弹板军用方舱通用规范》[12]要求。
此外，采用芳纶Ⅲ与UHMWPE纤维相结合的新装甲防弹披挂结构，在提高防护性能和装甲环境适应性的同时，制造成本低，满足批量型号列装需求。由于芳纶Ⅲ优异的综合性能，我国已将其广泛运用在国防航天航空工业中。
七、总结
“谁掌握了新材料，谁就掌握了未来”，针对日益严峻的反恐形势，我国对个体防护装备的保障工作提出了更高的要求。2016年全国公安机关警务保障工作会议上明确指出公安装备必须服务实战需求，这直接关系到公安机关战斗力的生成，要大力推动警用装备从“量”的增长向“质”的跃升转型，使配备的装备“活起来、动起来、用起来”，推动装备转化为实际战斗力。会议要求警用装备建设要贯彻质量就是生命的理念，推动警用装备产业供给结构向中高端升级；提升警用装备国产化水平，打造具有自主知识产权、良好市场竞争力的警用装备名牌产品。
国产芳纶Ⅲ防弹装备在防弹性能、轻量化等方面具有的突出优势，对从真正意义上提高我国军警防弹装备的性能具有重大价值。随着芳纶Ⅲ材料应用潜力不断提升，产业化进程的不断推进，国产芳纶Ⅲ有望占领高端软质防弹装备领域的至高点。