防弹衣是如何发挥作用的
陈鉴菲
(重庆市第八中学校,重庆 400030)
摘 要: 防弹衣在现代战争中发挥了重要的人体防护作用。随着历史的演变和发展,防弹衣也从古代的藤甲进化到当代的尼龙防弹衣等。高分子材料在防弹衣中的应用极大地推动了防弹衣的发展。本文介绍了防弹衣的发展历史,讨论了抗剪稠密液体、化纤材料等物质在防弹衣中的应用,并根据不同高分子材料的应用介绍了不同防弹衣的种类。从原理的角度分析了防弹衣的作用机理,给人们了解防弹衣提供了参考。
关键词: 防弹衣;高分子材料;化纤材料;抗剪稠密液体
在现代战争中,绝大多数情况下都是在使用火力武器,从手枪、手榴弹到导弹、核弹,武器的威力越来越大,对士兵身体的伤害也随之增大。那么,如何有效地保护士兵、降低士兵的伤亡率,便成为了各国争相研究的军事科研问题。这其中便不得不提到防弹衣的作用。对于拥有穿戴简单、能有效抵挡子弹冲击、降低士兵所受伤害等优点的防弹衣来说,它已经被广泛地应用到军队的各个方面,起着重要的作用。
1 防弹衣的演变过程
在古代冷兵器时代,最早可以追溯到三国时期,那时使用藤甲来做防护服,藤甲用桐油泡过,外面再涂上一层大漆,因此藤甲不怕水,透气性好。但是因为它是木制材料,所以容易燃烧,很怕火,当年诸葛亮使用火攻击退敌军,也促使它退出历史舞台。后来因为出现铁制品,军队便开始使用铁制作盔甲,于是矛与盾的故事拉开了序幕,二者相辅相成,共同发展。现代防刺服,前面一般是防刺材料,后面是软垫,这样既可以起到防刺作用,又使得它穿着舒适。这里不得不提到现代防弹衣的前身——明光铠甲。明光铠甲胸前有个明镜,在太阳的照射下有耀眼的光芒,这种光芒会对敌人产生强大的威慑力,它也因此得名。铠甲身上是2936铜片叠加在一起,像鱼身上的鳞片,每个连接点由4层组成,每个小铜片分散吸收力量。但是因为甲体较重,制作复杂,所以后来便退出了历史舞台。18世纪开始,碎发枪的出现使得火力武器开始被大规模使用,它们对士兵的杀伤力比冷兵器要大得多。1893年芝加哥市长卡特被爱尔兰移民左轮手枪射击,牧师卡西米萨格兰十分痛心,从蜘蛛丝上得到启发,制作了第一件防弹背心。卡西米萨格兰也因此被称为“防弹衣之父”。[1]后来随着高分子材料的发展,出现了尼龙、芳纶、高分子聚乙烯纤维等诸多同时具有高强度和柔软性的新型材料,这为防弹衣的发展提供基础。此后,防弹衣不断发展直到今天。
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有向无环图(DODAG)[13-14]中所有节点以类似于树状的拓扑结构连接,所有路径均指向DODAG的根(Root)节点。其构建过程如下:
图1 蜘蛛网给人们制造防弹衣的启示
2 蜘蛛网型防弹衣
从前面内容我们知道第一件防弹衣得益于蜘蛛网。从图1中可以看到蜘蛛网的结构,其强度比钢铁还要高出十几倍高,能拉长30%,当昆虫以较高的速度冲撞过来时还能吸收并转移昆虫撞击的动能,使自身不至于断裂。众所周知,蜘蛛丝的主要成分是蛋白质,而蛋白质是一种高分子物质。外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和强度,其原因在于:一方面,蜘蛛丝中具有不规则的蛋白质分子链,这使蜘蛛丝具有弹性;另一方面,蜘蛛丝中还具有规则的蛋白质分子链,这又使蜘蛛丝具有强度。组成规则的物质一般具有较高的结晶性,进而具有较高的强度;而组成不太规则的物质,各分子链之间有一定的空隙,不能完全结晶,也更可能存在支链等结构,这便增加了蜘蛛丝的柔韧性,使之具有较大的弹性。使用蜘蛛丝制作的防弹衣,当子弹以不太高的速度冲撞来时,因为蜘蛛丝的柔韧性,使得子弹的动能较大的一部分被吸收,降低了子弹的速度,同时又由于有一定的强度,子弹也就更没那么容易打穿它射进人体了。但是蜘蛛丝毕竟产量较低、造价较高,不适合大规模使用。
3 尼龙高分子材料防弹衣
总的来说,一般的防弹衣一般分为两大部分。前面一层是防弹插板,多使用陶瓷、金属等,它们在被射击时会发生形变和碎裂,这样可以吸收大部分子弹的能量。之后化纤材料作为第二道防线起作用。它们会发生形变,将动能转化为势能;破片也有一小部分能量通过摩擦转化为热能,通过撞击转化为声能,或者通过自身结构破坏、断裂等消耗一部分能量;同时化纤材料通过整体变形、包裹子弹可以吸收并扩散子弹剩余部分的能量,并起到缓冲作用,从而阻止并降低了贯穿性损伤,使子弹变形,丧失杀伤力。所以一般化纤部分具有很多层,前面10层左右在受到撞击时被破坏、碳化,后面的几十层起到缓冲作用。
这里要纠正一下人们对防弹衣认识的误区。防弹衣只是在一定程度上降低弹药对人体的致死率。防弹衣的目的一般是用来阻挡子弹进入人体,防止弹药碎片对人体造成损伤以及子弹强大的动能对人体内脏器官带来的伤害。所以即使穿着防弹衣,仍然很可能对人体造成伤害,只是可能不再致命。要想阻隔子弹进入人体,只是使用上述软质材料显然是不够的,还需要搭配硬质的金属、玻璃钢、陶瓷等使用。它们在受弹击时材料发生破碎、裂纹、冲塞以及多层复合板出现分层等现象,从而吸收射击弹大量的冲击能。
4 防弹衣的原理总结
随着科学的发展,尼龙高分子材料应用在了防弹衣。合成材料尼龙有重量优势,比较柔软,但是只能抵挡弹片,不能抵挡射击,还有散热困难的问题。60年代美国杜邦公司在研制一种汽车橡胶时意外得到了凯夫拉尔这种化纤材料。经过实验发现它能够有效阻挡子弹,便被广泛应用于防弹衣的制作。80年代美国又发明了超高分子聚乙烯碳纤维,它的分子量极高,能达到400万,但它同样具有轻便、柔软等特点。超高分子聚乙烯,与凯夫拉尔、碳纤维称为世界上三大高科技纤维,都被作为重要的军事材料,三者各有长短,配合使用。通过这些我们发现,制作防弹衣的材料大多是化纤制品。纤维是一种分子量较高的材料,长度直径比较大,有一定的柔韧性,弹性模量较高。当子弹射来时,纤维可以发生形变,吸收一部分子弹的动能,使之转化为弹性势能;同时这种形变还可以向四周延伸,使得子弹的力量被分散开来;还可以通过摩擦等方式将子弹的动能转变为热能。这几种作用相互结合,使得子弹的动能被大大降低,杀伤力大为削弱;同时纤维形变所形成的弹力也会使子弹头发生形变,使之减弱甚至失去穿透物体的能力。
对于制作防弹衣的陶瓷和化纤材料,因为结构决定性能,它们一般都具有比较特殊的结构。前面的防弹插板一般由多块陶瓷组成,这样当子弹射击时,只是被击中的那一小块陶瓷断裂掉落而不会造成整体的断裂,这样其他部位还可以承受子弹的射击。另外后面的化纤层一般都是使用无纬布。我们常见的编织方式都是经纬线交叠而成,但是作为防弹衣,一般是由几万根纤维并排起来,朝向同一个方向,没有纵横,绷直后涂上胶水,高温压制而成。这是因为经纬线交叠之处如果发生撞击,便会形成小弯曲,这一点小弯曲便大大削弱了超高分子聚乙烯纤维的强度,而无纬布则有效避免了这一缺点。现在,欧美等国家已经研制出了新型的液体防弹衣。它是一种特制的“抗剪稠密液体”(STF),该物质含有大量悬浮在无毒聚乙烯醇流体中的硬质纳米级硅胶微粒。[2]通常情况下STF就像其他液体一样,很柔软,可以变形。一旦弹片或弹头触到它,这种液体就能瞬间转变成一种硬质材料,阻止弹体穿过。研究人员把他们推导出来的一个秘密化学公式与传统的凯芙拉纤维结合,制成这种“超级护甲”。当这种衣物的粘性物质与传统的凯芙拉纤维粘贴在一起,可以吸收子弹产生的冲击力,并通过变稠,对撞击做出反应。
从以上内容看出,“结构决定性质”这条真理再一次得到了验证。要想得到一种符合自己需要的物质,首先要研究它应该具有什么样的结构。对于“防弹衣”这种物质来说,随着武器的发展,它必然也要有相应的发展。制作更有效的“防弹衣”,可以从制作具有更高强度的纤维着手。比如再适当提高纤维的分子量;在纤维链中引入抗冲击的基团或结构,比如苯环等共轭基团等,使得能量尽可能多地分散开。或者增大其他的能量吸收,比如增大表面摩擦力等。
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从防弹衣的例子我们可以得到很多启示。首先防弹衣的灵感来自于蜘蛛丝这种自然物质。和很多发明一样,创造者都是从大自然中得到灵感(比如鲁班发明锯,人类发明的蝇眼照相机、红外探测仪等),所以我们在日常生活中要注意观察,多加思考,注意灵活应用。另外做实验常常发生意外,而这些意外则可能产生原来不知道的新物质,我们不能放弃研究。再看液体防弹衣,之前一直在想如何增加纤维的柔软性,但是他们却从液体入手找到了新方法。有时我们思维过于僵化,这时转变考虑问题的方式,拓宽视野,从其他角度考虑问题、寻找方法不失为一种有效途径。
参考文献
[1] 赵凯,潘福奎.防弹衣的发展状况及改进理论可行性分析[J].国防科技,2012,33(5):58-60.
[2] 袁承军.高性能纤维和材料在防弹衣上的应用[J].中国个体防护装备,2005,(3):29.
中图分类号: E939
文献标识码: A
文章编号: 1671-2064(2019)01-0252-02
收稿日期: 2018-11-19
作者简介: 陈鉴菲,女,重庆人,研究方向:化学。
标签：防弹衣论文; 高分子材料论文; 化纤材料论文; 抗剪稠密液体论文; 重庆市第八中学校论文;