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防彈材料應(yīng)用

70年代初，一種具有超高強(qiáng)度、超高模量、耐高溫的合成纖維——?jiǎng)P夫拉(Kevlar)由美國杜邦(DuPont)公司研制成功，并很快在防彈領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

1.凱夫拉(Kevlar)

這種高性能纖維的出現(xiàn)使柔軟的紡織物防彈衣性能大為提高，同時(shí)也在很大程度上改善了防彈衣的舒適性。美軍率先使用Kevlar制作防彈衣，并研制了輕重兩種型號(hào)。新防彈衣以Kevlar纖維織物為主體材料，以防彈尼龍布作封套。其中輕型防彈衣由6層Kevlar織物構(gòu)成，中號(hào)重量為3.83千克。相比尼龍和玻璃纖維防彈衣，重量減輕50%；在單位面積質(zhì)量相同的情況下，其防護(hù)力至少可增加1倍，并且具有很好的柔韌性。

2.超高分子量聚乙烯纖維UHMWPE

超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）是由相對(duì)分子質(zhì)量在100萬到500萬的聚乙烯紡成的纖維，是目前世界上強(qiáng)度最高與比重最輕的纖維，其強(qiáng)度比鋼絲高15倍，但是很輕，最多可比芳綸等材料輕40%。

在國防軍需裝備方面，由于該纖維的耐沖擊性能好，比能量吸收大，在軍事上可以制成防護(hù)衣料、頭盔、防彈材料，如直升飛機(jī)、坦克和艦船的裝甲防護(hù)板、雷達(dá)的防護(hù)外殼罩、導(dǎo)彈罩、防彈衣、防刺衣、盾牌、降落傘等，其中以防彈衣的應(yīng)用最為引人注目。

它具有輕柔的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為占領(lǐng)美國防彈背心市場的主要纖維。另外超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料的比彈擊載荷值U/p是鋼的10倍，是玻璃纖維和芳綸的2倍多。國外用該纖維增強(qiáng)的樹脂復(fù)合材料制成的防彈、防暴頭盔已成為鋼盔和芳綸增強(qiáng)的復(fù)合材料頭盔的替代品。

超高分子聚乙烯

超高分子聚乙烯防彈衣

3.液體防彈材料

液體防彈材料(TBS)的主要成分是一種特制“剪切增稠液體(STF)”，這種液體一般由分散粒子SiO2和有機(jī)物分散介質(zhì)乙烯基乙醇、聚乙二醇、局丙二醇或者礦物油等一種或幾種的混合物組成。“剪切增稠液”中自由懸浮著粒子，當(dāng)液體因?yàn)閯×覜_擊而被攪亂時(shí)，其中的特殊粒子相互碰撞，形成了對(duì)這種攪動(dòng)的抵抗力。

當(dāng)攪動(dòng)力足夠大時(shí)，這些粒子其實(shí)就已被相互“鎖定”。當(dāng)子彈高速撞擊這種材料時(shí)，“剪切增稠液”防彈衣就會(huì)吸引撞擊能量，并迅速變得極其堅(jiān)硬，從而吸收子彈的沖擊能量。

液體防彈材料

剪切增稠液體

4、碳納米管

碳納米管是迄今為止發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好的材料之一，有著極高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。其密度只有鋼鐵的六分之一到四分之一，單位質(zhì)量上的拉伸強(qiáng)度，卻是鋼鐵的276倍，彈性模量參數(shù)，碳納米管比凱夫拉強(qiáng)2.4倍，綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前人類發(fā)現(xiàn)和制造的其他任何材料。

防彈效果上主要是體現(xiàn)在彈性模量上，也就是說碳納米管纖維盔具或防彈衣比凱夫拉的抗擊強(qiáng)度最起碼高2.4倍。

此防彈衣是由納米技術(shù)制得的碳納米管構(gòu)成，最初是為在伊拉克的美軍第19部隊(duì)特種兵而設(shè)計(jì)開發(fā)的，專利材料更薄、更柔軟，重量只有傳統(tǒng)防彈衣使用的凱夫拉的一半，而且還可以防刺傷，通過碳納米管硬化影響防止刀具穿透。

碳納米管防彈衣

碳納米管纖維

5.石墨烯

石墨烯作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。石墨烯制成的防彈衣?lián)碛?倍于現(xiàn)有防彈衣技術(shù)（凱夫拉）的防護(hù)能力。雖然目前石墨烯依然不能單獨(dú)制成強(qiáng)有力的材料，但是能多層復(fù)合到結(jié)構(gòu)材料中，這樣就能制止其受彈擊后向外碎裂的過程。鋼盔和芳綸增強(qiáng)的復(fù)合材料頭盔的替代品。

石墨烯防彈材料可廣泛應(yīng)用于武裝直升機(jī)防護(hù)裝甲、防彈衣、輕型防護(hù)裝甲、防爆裝備等軍工產(chǎn)品中，在民用防彈材料市場及軍用防彈材料市場均具有廣闊的市場前景。鋼盔和芳綸增強(qiáng)的復(fù)合材料頭盔的替代品。

石墨烯遇到子彈沖擊時(shí)的狀態(tài)模型