芳綸Ⅲ材料在防彈裝備領域的應用

摘   要：防護材料的先進性決定了防護裝備的先進性，新型芳綸Ⅲ防彈材料的卓越品質對提升個體防護裝備的高效、舒適、輕量化具有重要意義。簡要介紹了國內外常用軟質防彈材料的優缺點,通過對比分析,重點解析了芳綸Ⅲ具有的優異綜合性能，並以芳綸Ⅲ在防彈裝備上的應用實例測試數據，論證了其在防彈性能及輕量化等多方面具有突出優勢，展望了芳綸Ⅲ材料有望佔領高端軟質防彈裝備領域的至高點。

 

關鍵詞：芳綸Ⅱ   芳綸Ⅲ   雜環芳綸   超高分子量聚乙烯   軟質防彈材料

 

一、引言

「工欲善其事，必先利其器」，個體防護裝備的發展緊跟武器發展的步伐，並在很大程度上依賴於防護材料的發展。從金屬材料，到陶瓷材料、複合材料、高性能纖維材料、剪切增稠材料和納米材料，防護裝備材料一直向著高效、舒適、輕量化的方向發展，這對不斷提高作戰人員的機動性、戰鬥力、生存力至關重要。

據調查，我國軍警普遍配發的防護裝備還存在厚重、舒適性差等問題，造成穿著率較低，而沒有穿著就等於沒有防護。戰場減傷模型的模擬結果顯示，身著防護裝備的重量、厚度、柔軟度等指標直接影響軍警的機動性，而防護裝備性能的提升受制於防護材料的性能水平。在我國只有實現高性能防護材料的國產化，才能從真正意義上提升我國軍警防護裝備的品質。

 

二、目前常用防彈纖維介紹

警用防彈衣在公安部標準《GA141-2010警用防彈衣》中的解釋是，能吸收和耗散彈頭的能量、阻止穿透、減輕鈍傷並有效保護人體防護部位的一種服裝[1]。軟質防彈衣採用高性能纖維為主要防彈材料，具有相當的柔軟性，其防彈機理是通過纖維應變斷裂及緩釋衝擊波、彈頭變形等方式將能量傳播或耗散，最後織物將子彈「抓住」起到防彈作用。符合《GA141-2010警用防彈衣》標準的軟質防彈衣的防護等級分為1～3級，如需要將防彈等級提升到4～6級，一般採用在軟質防彈層外側加裝高防護等級的防彈插板，或單獨使用防彈插板，用於增強防彈衣在特定區域的防彈性能。防彈插板一般採用高性能纖維層壓板、金屬板、高性能纖維與陶瓷材料複合等方式，比較厚重。因此軟質防彈衣是軍警個體防護的重要基礎性裝備，而防彈材料對防彈衣的性能起著決定性影響。

目前國內外普遍採用的高性能防彈纖維主要有芳綸和超高分子量聚乙烯。

（一）芳綸系列

芳綸是由芳香族聚醯胺樹脂紡成的纖維，1972年首先由美國杜邦公司研製成功，隨後俄羅斯、荷蘭、日本及我國都研製出具有抗彈性能的高性能芳綸纖維。

我國將芳綸纖維劃分為[2]：

·芳綸Ⅰ，也稱芳綸14，指聚對苯甲醯胺（PBA）纖維；

·芳綸Ⅱ，也稱芳綸1414，指聚對苯二甲醯對苯二胺（PPTA）纖維；

·芳綸Ⅲ，也稱雜環芳綸，指雜環芳香族聚醯胺纖維。

芳綸複合防彈材料是由芳綸或織物增強樹脂基體製成的一類抗彈複合材料，其中應用最普遍的是採用高速乾濕法紡絲工藝生產的芳綸Ⅱ，主要品牌產品有：

·美國杜邦公司的Kevlar○R系列；

·日本帝人公司的Twaron○R系列（2000年之前為荷蘭阿克蘇公司所有）；

·俄羅斯的Terlon○R系列；

·中國的Taparan○R、Staramid F-2等。

芳綸Ⅱ纖維的顏色為淺金黃色，如圖1所示。

 

 

芳綸Ⅱ的主要缺點是：耐光性差，曝露於可見光和紫外線時會產生光致降解，導致力學性能下降和顏色變化，而且其抗壓強度低、吸溼性強，吸溼後纖維降強大，需密封保存。

芳綸Ⅲ，也稱為雜環芳綸，其卓越品質將高性能纖維複合防彈材料的性能大幅提升，隨著近年來國產關鍵技術的突破和產業化進程的不斷推進，我國於2015年開始已經將芳綸Ⅲ應用於軍警防護裝備之中。

（二）超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維是繼碳纖維、芳綸之後第三個取得大批量市場應用的高性能纖維[3]。該材料首先由荷蘭DSM公司開發，1979年獲得專利。UHMWPE纖維力學性能優異，其強度和模量都很高，且密度是高性能纖維中最低的,使其具有極高的比強度和比模量,在高速彈丸衝擊下，其能量吸收率約是芳綸Ⅱ的兩倍；同時，其化學性質穩定，耐光性比芳綸優異，對水、酸、鹼等介質均極穩定，抗老化性能強，吸溼性小,不受環境影響，抗彈性能優異。UHMWPE纖維顏色為白色，如圖2所示。

 

 

UHMWPE纖維的缺點是：耐熱性較差，熔點為140℃，且易蠕變，與聚合物基體粘結性差。蠕變是材料在恆定壓力作用下，隨著時間的延長，材料產生持續形變的過程。在80℃左右，UHMWPE纖維的強度和模量與室溫時相比下降約30%，並且會發生蠕變；到140℃以上，纖維會直接熔化。UHMWPE纖維的蠕變現象比較明顯，影響了其在高溫條件下的使用。

 

三、芳綸Ⅲ材料的發展現狀      

對於防彈用芳綸材料，美國及歐洲應用的主要是芳綸Ⅱ（如kevlar、Twaron），而俄羅斯應用的是芳綸Ⅲ系列（如Armos、Rusar），其綜合性能遠超芳綸Ⅱ，在芳香族聚醯胺系列中排名第一，而且不存在UHMWPE纖維的耐熱性差與易蠕變等問題，用芳綸Ⅲ製造的防彈裝備更輕、更薄。同時，芳綸Ⅲ作為非常重要的戰略物資，在國防、航空航天領域具有重要應用價值，目前只有俄羅斯和中國能工業化生產。

回顧芳綸Ⅲ的發展史，儘管俄羅斯率先開發的芳綸Ⅲ與Kevlar（屬芳綸Ⅱ）基本同期（均在1970年代）起步,且性能佔有優勢，但由於受體制、資金和技術等方面的限制，導致俄羅斯芳綸Ⅲ生產成本高，產業化水平低、規模小。當Kevlar大舉進軍國際市場並廣泛應用於民用領域，產量達到數萬噸時,芳綸Ⅲ卻仍集中應用於航天、飛彈和宇航設備等高尖端領域。

俄羅斯芳綸Ⅲ品種有Armos、Rusar等，其中Rusar在防彈方面處於領先地位，是世界公認的最好的防護材料之一，但其對中國禁運和技術封鎖。我國在1998年根據國家軍工需要開始進行芳綸Ⅲ的研發，並於2005年由中藍晨光化工研究設計院率先研製成功，其商品名為STARAMID F-3。經過幾年的技術攻堅，目前國產芳綸Ⅲ拉伸強度達到5.0GPa，彈性模量達130GPa～160GPa，性能居國內批產有機纖維之首，達到俄羅斯Rusar批產產品水平。圖3所示是俄羅斯芳綸Ⅲ長絲，圖4所示是國產芳綸Ⅲ長絲（STARAMID F-3），兩者在顏色上具有差異，俄羅斯芳綸Ⅲ呈棕色而國產芳綸Ⅲ（STARAMIDF-3）呈金黃色，如圖5所示。

 

一直以來，芳綸Ⅲ的獨特性都被各國防彈專家所認可[4]，美國學者報導了對俄羅斯Rusar材料的研究結果，指出其纖維的動態強度超過了著名的PBO材料。Rusar防彈纖維也被英國、德國等檢測機構反覆測試，結果顯示其性能在同類產品中最優。同時，國際防彈市場調研報告指出，來自Rusar的防彈製品處於世界頂尖地位。英國利茲大學的科學家經過對比實驗得出結論：Rusar纖維的穩定性是杜邦公司kevlar和帝人公司Twaron的2～2.5倍。圖6所示為Rusar應用於防彈頭盔和防彈衣等裝備。

 

國產芳綸Ⅲ的研製成功，使我國成為繼俄羅斯之後第二個擁有該技術的國家。目前國產芳綸Ⅲ正通過改進工藝流程，採取節能、降耗，減排等措施提高生產效率、降低生產成本並擴大產能，使芳綸Ⅲ成為高性價比的防護材料，能夠在防彈領域發揮更大的作用，這也將大力提升我國防護裝備的水平。

 

四、芳綸Ⅲ材料特性解析

與芳綸Ⅱ相比，芳綸Ⅲ的分子結構更複雜、力學性能更優異。芳綸Ⅱ與芳綸Ⅲ在化學結構上的區別如圖7所示。芳綸Ⅲ是一種具有雜環結構的三元共聚對位芳香族聚醯胺纖維,由對苯二胺、對苯二甲醯氯、含有雜環結構的二胺等三種單體共縮聚而成，故稱芳綸Ⅲ，也稱雜環芳綸[5]。芳綸Ⅲ的雜環結構使其具有超高強度和超高模量，並且在耐高溫、耐衝擊、耐磨損、透波等方面均具有優異性能，而且也更有利於纖維與樹脂的複合，從而綜合抗彈性能更優異。另外，芳綸Ⅲ還克服了芳綸Ⅱ、PBO纖維的耐紫外性能較差等缺點，可以說芳綸Ⅲ是當今世界上已批產的綜合性能最好的有機纖維。

 

（一）力學性能

芳綸Ⅲ超高的拉伸斷裂強度是其防彈性能優異的根本原因。防彈纖維的斷裂強度越高，纖維的斷裂能量吸收率越大，則纖維的防彈性能越好。圖8是國產芳綸Ⅲ（StaramidF-358）與帝人公司芳綸Ⅱ（Twaron 2000）的力學性能比較。從圖中可以看出兩種纖維的斷裂伸長率相差不大，均小於3.5%，但國產芳綸Ⅲ（StaramidF-358）的拉伸強度比帝人公司芳綸Ⅱ（Twaron 2000）高出了約40%[6]。

此外，苯並咪唑雜環結構的引入還有利於提升芳綸Ⅲ纖維與樹脂的複合性能。相較於芳綸Ⅱ，芳綸Ⅲ纖維與樹脂間能形成更高的機械式結合力和更強的範德華力物理吸附作用，有利於增強纖維與樹脂間的界面結合力。圖9所示是幾種不同芳綸材料的力學性能比較，芳綸Ⅲ拉伸強度範圍為4.7GPa～5.5GPa，比芳綸Ⅱ纖維高出30％～50％，芳綸Ⅲ彈性模量的範圍是120GPa～150GPa，僅次於鋼絲和碳纖維，且芳綸Ⅲ的密度僅為1.43g/cm3～1.45g/cm3，屬於真正的輕質高強材料。

 

（二）耐熱性能

芳綸Ⅲ具有良好的耐熱性，其典型熱失重曲線如圖10所示。可以看出，芳綸Ⅲ在200℃環境下仍能保持較好的力學性能，在氮氣環境中溫度達到538℃時或在空氣環境中溫度達到520℃時才會分解，具有非常好的熱穩定性[7]。

 

同時，芳綸Ⅲ比芳綸Ⅱ具有更優異的耐熱老化性能。圖11所示為芳綸Ⅲ與芳綸Ⅱ熱老化曲線的比較，顯示了芳綸Ⅲ與芳綸Ⅱ在220℃條件下放置800小時後拉伸強度的變化情況。結果表明，在高溫條件下芳綸Ⅲ較芳綸Ⅱ（Kevlar）的強度保持率高，強度下降趨勢更平緩。同時，測試兩種材料在240℃空氣中放置3小時後的纖維強度保持率，結果表明芳綸Ⅲ強度保持率達92%，而芳綸Ⅱ（Kevlar）僅為82%。

 

此外，芳綸Ⅲ除具有突出的耐熱性能外，還具有優異的耐低溫性能。實驗發現，芳綸Ⅲ在－40℃條件下放置4小時後，測試其纖維的斷裂強度與室溫時相比幾乎無變化（如表1所示）。

 

（三）耐紫外線性能

紫外線對芳綸Ⅲ有一定影響。芳綸Ⅲ長時間暴露於紫外線下，力學性能會降低，但相較於芳綸Ⅱ，芳綸Ⅲ強度下降趨緩。將國產芳綸Ⅲ（StaramidF-358）與帝人公司芳綸Ⅱ（Twaron 2000）在紫外線下進行穩定性比較，採用340nm紫外線不噴水照射360小時（紫外老化測試標準：GB/T16585-1996），結果表明芳綸Ⅲ的拉伸強度僅下降7%，而芳綸Ⅱ強度下降15%，如圖12所示。對於防彈晶片來說，若將其密封於抽真空的黑色不透光、不透水、強度較高的防水布套中後，更是極大降低了光照對防彈晶片的影響。 

 

（四）其它性能

芳綸Ⅲ具有優異的阻燃特性，其極限氧指數高達42，且離開火焰不燃燒。另外，芳綸Ⅲ具有良好的耐溼性，可以長時間使用而不改變屬性。如表2所示，中藍晨光的高模芳綸Ⅲ（F-358）的回潮率僅為1.8%，而芳綸Ⅱ的回潮率較高，耐溼性較差，溼態下芳綸Ⅱ的性能會迅速降低。

 

五、芳綸Ⅲ防彈材料性能分析

（一）防彈性能優勢

高性能芳綸材料應用於防彈裝備，通常採用兩種形式：一是將芳綸長絲單向平行排列並用特殊熱塑性樹脂黏結，再經0°/90°正交，複合層壓製成UD無緯布，再用UD無緯布經疊層製成軟體防彈晶片；二是將芳綸長絲織成的機織布或製成UD無緯布，再疊層用樹脂固化，製成防彈頭盔或防彈插板。因此，芳綸機織布或UD無緯布性能的優劣是決定防彈裝備性能的直接因素。

由芳綸Ⅲ製成的機織布力學性能優異，如表3所示。該平紋機織物採用多尼爾（DORNIER）劍杆織機織造而成，對比測試結果表明：在相同面密度條件下，芳綸Ⅲ機織布的經緯向斷裂強度較芳綸Ⅱ機織布高20～30%。

另外，不同材料的防彈性能可以用比吸能值SEA來表徵[8]。SEA值越高就表示該防彈材料吸收這種彈的動能高，則此材料的防彈性能更好。與芳綸Ⅱ和UHMWPE材料相比，芳綸Ⅲ防彈材料具有更高的比吸能值，因此具有更優異的耐衝擊性和防彈性能[9]。

（二）輕量化優勢

芳綸Ⅲ材料良好的綜合性能不僅體現在其優異的抗彈性能上，在輕量化方面也有出色的表現。芳綸Ⅲ防彈材料具有高強度、高韌性、抗衝擊等優異性能，可為防彈衣、防彈頭盔、防彈盾牌、複合裝甲等提供更輕、更強、更安全的保護[10]。

有研究表明：相比其它防彈材料，芳綸Ⅲ減重效果明顯。2007年12月美國堪薩斯州威奇託測試實驗室的研究結果表明，由芳綸Ⅲ製備的盔甲板的面密度比kevlar板低27%，但其防彈性能卻比kevlar板高出了12%[4]。許多國際專家也將芳綸Ⅲ和芳綸Ⅱ（Kevlar, Twaron)以及UHMWPE材料（Spectra, Dyneema）進行對比，發現芳綸Ⅲ防彈材料在防護領域具有更顯著的減重空間，其防彈性能在同類產品中屬最優，處於國際防彈製品的頂尖地位。

總之，用芳綸Ⅲ製造的防彈裝備不僅抗衝擊性能更好，更輕薄，且耐熱性優異，在高溫條件下拉伸強度度幾乎不受影響，不存在UHMWPE材料高溫蠕變導致的性能下降，是作為軍事防彈裝備的理想材料。

 

六、芳綸Ⅲ材料在防彈裝備中的應用

芳綸Ⅲ防護材料在防彈性能及輕量化方面具有的突出優勢，對提升軍警防護裝備的品質具有重要而深遠的意義。鑑於此，軍委後勤保障部軍需裝備研究所率先開展了芳綸Ⅲ的應用研發工作，積累了大量的對比實驗數據，為芳綸Ⅲ在防護裝備領域的應用做出了突出的貢獻，奠定了堅實的基礎，並成功應用於武警防護裝備中。緊隨其後，公安部第一研究所也開展了芳綸Ⅲ在警用防護裝備領域的應用開發工作，並於2016年推出芳綸Ⅲ系列防彈裝備，註冊商標為「金蟬甲」，為國產芳綸Ⅲ材料在警用防護裝備領域的應用開創了先河。

（一）芳綸Ⅲ軟質防彈衣

設計高性能防彈衣時，必須綜合考慮防穿透和防鈍傷兩方面的功能，而防彈材料是決定防彈衣性能的關鍵因素，防彈材料的性能與纖維本身性能、織物結構、樹脂基體種類以及產品的成型工藝都有很大的關係。

公安部第一研究所研製的芳綸Ⅲ「金蟬甲」防彈衣的防彈晶片採用國產芳綸Ⅲ（中藍晨光STARAMID F-3）材料，通過特定樹脂體系和獨特加工工藝製成UD無緯布疊合而成。圖13是芳綸Ⅲ「金蟬甲」防彈衣的打靶測試結果局部圖，子彈變形後留在防彈層中，被防彈晶片牢牢「抓住」。經公安部特種警用裝備質量監督檢驗中心全項檢測，產品達到《GA 141-2010 警用防彈衣》標準。

 

芳綸Ⅲ「金蟬甲」防彈衣與防護等級相同的UHMWPE、芳綸Ⅱ防彈衣相比，在減重效果和輕薄程度等方面都具有明顯的優勢。以滿足《GA141-2010警用防彈衣》標準的2級防彈衣為例，在減重方面，「金蟬甲」防彈衣晶片重量約１kg，比採用帝人公司TAWARON2000纖維製備的芳綸Ⅱ防彈衣輕33%，比採用各種不同品牌的UHMWPE纖維製得的防彈衣輕11%～43%，減重效果明顯；在輕薄程度方面，「金蟬甲」防彈衣2級防彈晶片厚度不足５mm，整體結構輕薄隱蔽，是目前國內同等級防彈衣中最薄的。

總之，國產芳綸Ⅲ軟質防彈衣的研製成功對有效減輕了作戰人員的負擔,提高機動性、提高穿著率和戰鬥力具有重要意義。

（二）芳綸Ⅲ防彈頭盔

防彈頭盔是指能夠吸收和耗散彈頭能量，阻止穿透、減輕鈍傷並有效保護人體頭部的裝備[11]。受限於防彈材料的防彈性能和頭盔重量，目前國產防彈頭盔的防彈等級普遍只能達到防彈衣的2級水平。由於UHMWPE纖維複合黏結技術難度大，且在耐熱性、剛性等方面比芳綸頭盔稍遜一籌，目前在非金屬防彈頭盔市場上還無法取代芳綸頭盔的主導地位。芳綸Ⅲ防彈材料的研發成功，為提升防彈頭盔的防彈等級提供了契機。目前更高防彈等級的芳綸Ⅲ防彈頭盔已經研發成功，其防彈性能好、重量輕、綜合防護性能高，較相同防彈性能的芳綸Ⅱ防彈頭盔減重20～30%。圖14所示為我國2015年9.3閱兵中武警特戰分隊使用了國產新型芳綸Ⅲ防彈頭盔。

隨著高性能纖維材料技術的不斷發展，防彈頭盔的性能也得到了不斷提升，防彈頭盔不僅要求有優異的防彈性能和良好的佩戴舒適性，同時較小的變形可以避免對頭部形成非貫穿性鈍傷，輕型化更能夠有效提高戰爭中軍隊的快速反應能力、戰鬥力和防護能力，芳綸Ⅲ防彈頭盔的成功研製具有非常重要的意義。

（三）芳綸Ⅲ防彈裝甲

近十幾年來,坦克車輛防護系統發展的一個重要趨勢是輕量化和材料的多功能化。芳綸Ⅲ防彈裝甲滿足裝甲輕量化的需求，能廣泛應用於武裝直升機、武裝運輸機、坦克、戰略飛彈、步兵武器、艦艇的彈道倉、指揮倉等裝甲兵器，能有效提高車輛的機動性能。例如，新設計開發的三明治結構裝甲披掛用防彈材料（如圖15所示），採用芳綸Ⅲ與UHMWPE纖維的複合材料，在相同防護性能下相較於5mm厚的瑞典SWEBOR PRO500鋼板結構減重達65%以上，能有效提高坦克車輛的戰場生存能力及機動性能。同時，裝甲外側的芳綸Ⅲ材料能有效防火阻燃，抵擋150℃以上的高溫衝擊和有效抵抗裝甲變形，具有防輻射、透波能力好、耐高低溫、阻燃等要求，滿足《GJB6109-2007防彈板軍用方艙通用規範》[12]要求。

此外，採用芳綸Ⅲ與UHMWPE纖維相結合的新裝甲防彈披掛結構，在提高防護性能和裝甲環境適應性的同時，製造成本低，滿足批量型號列裝需求。由於芳綸Ⅲ優異的綜合性能，我國已將其廣泛運用在國防航天航空工業中。

七、總結

「誰掌握了新材料，誰就掌握了未來」，針對日益嚴峻的反恐形勢，我國對個體防護裝備的保障工作提出了更高的要求。2016年全國公安機關警務保障工作會議上明確指出公安裝備必須服務實戰需求，這直接關係到公安機關戰鬥力的生成，要大力推動警用裝備從「量」的增長向「質」的躍升轉型，使配備的裝備「活起來、動起來、用起來」，推動裝備轉化為實際戰鬥力。會議要求警用裝備建設要貫徹質量就是生命的理念，推動警用裝備產業供給結構向中高端升級；提升警用裝備國產化水平，打造具有自主智慧財產權、良好市場競爭力的警用裝備名牌產品。

國產芳綸Ⅲ防彈裝備在防彈性能、輕量化等方面具有的突出優勢，對從真正意義上提高我國軍警防彈裝備的性能具有重大價值。隨著芳綸Ⅲ材料應用潛力不斷提升，產業化進程的不斷推進，國產芳綸Ⅲ有望佔領高端軟質防彈裝備領域的至高點。

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[12] 中華人民共和國公安部.GA293-2012 警用防彈頭盔及面罩 [M].中國標準出版社,2012.

[13] 中國人民解放軍總裝備部.GJB6109-2007軍用方艙通用規範[M].中國標準出版社,2007.

來源：警察技術雜誌