高性能复合纤维的防刺机理

刘宇航， 黄广炎，2， 张宏，2， 周宏元

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术重点实验室， 北京 100081；
2.北京理工大学重庆创新中心 现代兵器技术实验室， 重庆 401120；
3.北京工业大学 城市建设学部， 北京 100124)

在警员被袭和诸多恶性医闹事件中，持刀伤害已成为我国的主要暴力行为。红星新闻报道2021年5月7日凌晨，嫌疑人醉酒打砸闹事，黎警官赶往现场时突遭犯罪分子刺伤，因失血过多不幸牺牲；
2019年12月24日，人民日报报道民航总医院急诊科杨文医生被病人家属恶意刺伤、抢救无效去世。为保护警员和医护人员的生命安全，防刺服必不可少。市面上已有多种防刺服产品，如纤维防刺服、金属防刺服等。为推进多类防刺服的设计和性能规范化，公安部最新发布了GA 68—2019警用防刺服行业标准，要求防刺服能够抵御24 J动能的刀具冲击，并且不被穿透，该要求较美国司法协会的NIJ Standard-0115.00标准更加贴合实战需求。2020年，在公安部装备财务局组织开展的“警盾-2020”警用防刺服挑战赛中，舒适性成为防刺性能以外的第二重要评比指标，对传统厚重不适的防护装备提出了挑战。因此，防刺性能和舒适性兼顾的新型柔性防刺服近年来被提出，并逐渐成为主流。

纤维柔性防刺服主要由芳香族聚酰胺纤维(简称芳纶)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维等构成，以单向无纬纤维层合、二维织物层合和三维织物增强的结构形式织造。关于纤维柔性防刺服，以往的研究主要集中在新型防刺材料的提出与测试上，例如杨川选用常见的沙林树脂作为基体，确定了防刺性能最佳的成型工艺和“三明治”复合形式，复合结构大大减轻了防刺服的厚度和质量。Li等用SiO粒子分别配合乙二醇和聚乙二醇分散介质制成剪切增稠液(STF)，并浸渍UHMWPE纤维织物，通过动态穿刺实验中织物损伤和动荷载曲线表明，STF通过加速UHMWPE纤维织物的横向响应，并增加纱线间的摩擦、限制纱线位移，有效地增强了织物的防刺性能，以更少的层数、质量达到了相同的防护效果。

但是上述研究对于材料的防刺机理鲜有提及，并且对于防刺服的性能表征大多是基于“是否刺穿”或“穿透层数”这种单一指标。

在少数发表的防刺机理研究中，其中姚晓琳对单面纬编针织物的破坏过程和机理、纬编针织物结构参数与防刺性能关系理论进行研究，建立了单层纬编针织物准静态侵彻计算模型，与准静态刺穿实验结果吻合较好。顾肇文对单层UHMWPE纤维平纹布进行了准静态穿刺实验，并根据刀具的力- 位移曲线图和织物的动态响应将刺穿过程分为5个阶段，分析发现增加刀刃处的纤维集聚可以提高材料的防刺性能。

以上研究工作主要聚焦于纤维裸布的准静态穿刺模型，对于复合纤维材料的动态穿刺情况未涉及。本文以高性能复合纤维为研究对象，通过准静态穿刺实验和动态穿刺实验以及多个指标对比不同复合纤维的防刺性能，探究复合纤维的防刺机理以及影响防刺性能的主要因素。

1.1 实验材料

本文选取3种市面广泛采用的典型防刺材料进行对比(见图1)，其中材料1为湖南艾尔防务技术有限公司生产的FCF-FA-AF01型警用防刺服芯片，由芳纶织物浸渍环氧树脂基体制成，简称为浸胶芳纶布；
材料2为湖南中泰公司生产的ZTC15防刺防弹双防服芯片，芯片的每层由4层0/90/45/135°铺设的高强无纬UHMWPE纤维和聚对苯二甲酸乙二醇酯膜即PET膜组成，简称为无纬PE布；
材料3为北京普凡防护科技有限公司生产的Twaron CT709型平纹芳纶布。3种材料的具体参数见表1，其中单层厚度由多次测量多层防刺材料厚度后除以材料层数得到。控制3种材料的面密度相同，最大相差1.3%。

图1 3种防刺材料Fig.1 Three stab-resistance materials

表1 3种材料主要参数Table 1 Main parameters of the three materials

1.2 实验方法

1.2.1 刚度测试

按照国家标准GB/T 18318.12009纺织品弯曲性能的测定第1部分：斜面法，采用斜面悬臂梁原理测试试样的弯曲刚度，其反映了纺织品的柔性。如图2所示，将带刻度钢尺与试样一起缓缓推出，在试样下垂接触41.5°斜面时记录刻度尺伸出长度，伸出长度的一半为弯曲长度，计算单位宽度的弯曲刚度如(1)式：

图2 斜面法测弯曲刚度示意图Fig.2 Schematic diagram of the measurement of flexuralrigidity via the inclined plane method

=×10

(1)

式中：为面密度。

在3种材料中分别随机剪取5块宽25 mm的长条试样，测量刚度并取平均值。测试结果表明，单层试样弯曲刚度与柔性呈反比。

由于每种材料的层间光滑，抵抗弯曲变形的位置都在斜面的上端附近，材料整体弯曲刚度相当于单层刚度的串连，因此将整体刚度定义为单层弯曲刚度和层数的乘积。

1.2.2 硬度测试

在硬度测试中，参考国家标准GB/T 531—1999橡胶袖珍硬度计压入硬度试验方法，采用测量塑料、橡胶类化工产品硬度值的LX-A、LX-C和LX-D三型邵氏硬度计，测定3种材料的邵氏硬度。其中，LX-A型硬度计采用平头压头，直径为0.79 mm，主要用于测试橡胶的硬度；
LX-C型硬度计采用球头压头，直径为2.5 mm，主要用于测量泡沫硬度；
LX-D型硬度计采用尖头压头，直径为0.1 mm，适用于硬树脂硬度测试。测试前校准仪器，保证测试面与材料表面平行。测试整个防刺芯片的硬度，每种材料分别取5个点进行测量并取平均值。

1.2.3 准静态和动态穿刺实验

准静态和动态穿刺实验均严格按照GA 68—2019警用防刺服行业测试标准进行，每个芯片第1刀刺在几何中心位置，第2、3刀在第1刀刺着点50～75 mm半径范围内，第4、5刀在相对薄弱处，共进行5次穿刺测试。测试系统分别如图3(a)、图3(b)所示。

图3 准静态和动态穿刺实验装置Fig.3 Quasi static and dynamic puncture experimental device

防刺材料试样尺寸200 mm×200 mm，满足行业标准中对刺着点选取及固定位置的要求。背衬材料由防刺材料接触面开始依次为：4层6 mm厚的氯丁橡胶海绵、1层30 mm厚的聚乙烯闭孔泡沫塑料、2层 6.5 mm厚的天然橡胶。

为准确刻画刀尖准静态和动态刺入防刺服的过程，本文设计了一种新的实验方法。传感器与数据采集系统(量程10 V、采集频率2 MHz)连接示意图如图3(c)所示，在刀具的尾部设置力传感器，在贴近防刺材料处设置光电门以测量刀具刺入的初速度。在防刺试样层间铺设10 μm厚的铝膜，并将铝膜与数据采集系统连接，当刀尖接触铝膜时即产生电信号，给出刀尖到达该层的时间。为对比3种材料刀具刺入的过程，控制厚度变量，3种材料均每隔厚1 mm放置一层铝膜，其中材料1、2总厚5.9 mm，材料3总厚8 mm(见表1)。

准静态穿刺实验中，设备主体为美斯特工业系统有限公司电子万能实验机，设定刀具以匀速5 mm/min刺入。动态穿刺实验设备主体为自制落锤试验机，刀具升至一定高度后自由落体，保证刺入初动能符合24 J标准。

1.2.4 电镜实验

采用JCM-7000型电镜扫描仪，配合以DⅡ-29030SCTR型喷金设备，观察准静态和动态刺着点形貌，分析材料在防刺时的失效行为。

2.1 刚度测试结果

刚度测试结果如表2所示，整体弯曲刚度从大到小为：浸胶芳纶布、无纬PE布、平纹芳纶布，即三者的舒适性依次由差到好。其中无纬PE布略小于浸胶芳纶布，平纹芳纶布弯曲刚度远小于前两者。

表2 3种材料弯曲刚度测试结果Table 2 Flexural rigidity test results

2.2 硬度测试结果

硬度测试结果如表3所示，3种不同类型的邵氏硬度计给出了相同的规律，即硬度从高到低排列均为浸胶芳纶布、无纬PE布、平纹芳纶布。

表3 3种材料硬度测试结果Table 3 Hardness test results

2.3 准静态穿刺实验结果

准静态防刺实验中的刀具刺破力-位移曲线如图4所示，其中刀具整体位移包括背衬材料的形变和刀具穿透防刺服深度。得益于新的测试手段，不仅得到了-的关系，而且准确地标记出了刀具每穿透1 mm深度的刺透点。这有助于还原刀具刺入的全过程、做出每个点对应的刺入形态示意图，其中每一根黑线代表1 mm厚的材料，并且为了便于观察，在示意图中将材料厚度放大显示。

图4 准静态穿刺过程示意图Fig.4 Schematic diagram of quasi-static penetration

从整体观察3条曲线可知：浸胶芳纶布的曲线斜率最大，并且在最后阶段斜率陡增，无纬PE布次之，最后是平纹芳纶布；
-曲线斜率大，表示在增加同样一段位移Δ中需要更大的力Δ，说明材料抵抗弯曲变形的能力强，即弯曲刚度大；
无纬PE布在被完全刺透前的曲线斜率比浸胶芳纶布略低，与表2中整体弯曲刚度的测试结果相吻合。

曲线的终点表示刀具刺透最后一层，对应着准静态刺破力(见表4)，浸胶芳纶布最大；
无纬PE布其次，平纹芳纶布最小；
准静态刺破力越大，代表材料抵御刀尖面外剪切的能力越强，与硬度测试结果一致。

表4 3种材料准静态刺破力Table 4 Quasi-static penetration forces

在曲线斜率和最大值分析中，无纬PE布刺破前的曲线斜率略小于浸胶芳纶布，而准静态刺破力却远小于浸胶芳纶布，即防刺性能远不如浸胶芳纶布。两项测试结果表明，硬度对于防刺服材料的防刺性能有显著影响，而弯曲刚度在材料的准静态防刺性能中影响较小。

2.4 动态穿刺实验结果

在动态穿刺实验中，表5总结了3种材料的刺穿情况。此外，通过力传感器输出的数据作出刀具动态穿刺力-穿刺时间曲线(见图5)，进而基于牛顿第二定律和积分运算得到刀具运动速度-运动

表5 3种材料动态穿刺实验结果Table 5 Dynamic penetration test results

图5 动态穿刺时刀具穿刺力F-时间t曲线对比Fig.5 Comparison of the Penetration Force F- Time t curves during dynamic stabbing

时间曲线(见图6)和刀具动态穿刺力-穿刺位移曲线(见图7)。值得一提的是，图7中的最大位移与实验中高速摄影观测到的一致，因此可验证以上数据处理方法的准确性。需要注意的是，图5～图7中实线代表刀具还未刺穿3种材料的动态过程，线上点代表刀具每穿透1 mm材料所到达的位置，虚线代表刀具刺穿3种材料后的动态过程。

图6 动态穿刺时刀具运动速度v-时间t曲线对比Fig.6 Comparison of Weapon Motion Velocity v-Time t curves during dynamic stabbing

图7 动态穿刺时刀具穿刺力F-运动位移S曲线对比Fig.7 Comparison of Penetration Force F-Displacement S curves during dynamic stabbing

如表5所示，无纬PE布和平纹芳纶布被完全穿透，而浸胶芳纶布未完全穿透，仅穿透88%总厚度，即刺穿15层。如图5所示，在无纬PE布和平纹芳纶布被完全穿透后，刀具对人体的作用力继续提升，经测量得到3种材料的动态刺破力和最大峰值力(见表5)。对比表4和表5中的刺破力发现，材料在高应变率穿刺下会产生增强效应，动态刺破力普遍比准静态刺破力高。而观察表5中的最大峰值力发现，浸胶芳纶布最大，无纬PE布居中，平纹芳纶布最小，与弯曲刚度和硬度规律一致，因此纤维复合材料的防刺性能与弯曲刚度及硬度正相关。

如图6所示，刀具在接触3种材料后速度都开始急剧衰减，到达0 m/s点后速度为负，表明刀具在防刺材料及背衬材料的抵抗下开始减速，当速度为0 m/s时，防刺材料及背衬材料的变形释放，刀具开始反弹。在刀具下落刺入的过程中，刀具损失的动能转化为防刺材料和背衬材料的动能、弹性变形能、断裂能、摩擦能及热能；
刀具速度为 0 m/s时位移最大，全部的动能都传递给防刺材料和背衬材料；
此后防刺材料和背衬材料的弹性变形能开始转换为刀具、防刺材料、背衬材料的动能、摩擦能和热能。

观察图5和图6发现，速度为0 m/s的点是穿刺力的极值点。这就暗示了刀具穿刺过程实际上与自由落体小球撞击弹簧的力学模型是相似的，防刺材料和背衬材料可以看作为弹簧，刀具可被视为小球。由此模型可知，弹簧刚度越大，小球受到的阻力越大，小球速度衰减越快。图5和图6正显示了最大弯曲刚度的浸胶芳纶布给予刀具的阻力最大，刀具速度衰减最快，其次是无纬PE布，最后是平纹芳纶布。此外，浸胶芳纶布和无纬PE布的弯曲刚度在一个量级，平纹芳纶布远小于前两者，这一结果在图6中反映出的现象是无纬PE和浸胶芳纶的速度衰减曲线近乎一致，平纹芳纶与它们差别很大。

如图7所示，-曲线出现回形，这是因为刀具在刺入到最大位移后，刀具发生了回弹。计算每条-曲线下的面积可知，刀具所做的功·与刀具的动能1/2 m·v相等，但由于防刺服被完全穿透后便失效，计算实线-面积可知，浸胶芳纶参与转化了24 J的全部刀具动能，无纬PE布在失效前参与转化了9.0 J，而平纹芳纶布失效前仅参与转化了1.6 J能量(见表5)。观察图7发现：浸胶芳纶布虽未被完全穿透，其最大动态位移也达到了40 mm，远高于防弹标准中的最大凹陷深度25 mm，存在钝伤风险；
无纬PE布和平纹芳纶布被完全穿透后，刀继续向前运动，刺入人体，其中无纬PE布穿透后刀会继续前进18.1 mm，而平纹芳纶布则会继续前进68 mm。由图7进一步可知，在动态实验中，平纹芳纶布的刺穿点最集聚，其次是无纬PE布，最后是浸胶芳纶布。以上结果表明平纹芳纶布在短距离内被全部刺穿，并且在相近的力下，浸胶芳纶布被刺入 2 mm而无纬PE布被刺入4 mm，反映了平纹芳纶布的抗面外剪切能力最差，其次是无纬PE布，最好的是浸胶芳纶布，与准静态实验表征的面外剪切强度规律一致，也与硬度测试结果一致。

图8将浸胶芳纶布和无纬PE布两种表现优异的材料防刺过程体现在时间轴上。如图8所示，底层防刺材料的变形和顶层防刺材料的破坏实际上是同步发生的。对比两种材料刺穿相同厚度的时间点可知，明显无纬PE布被刺透地更快，但是若对比刀具的运动位移则发现，两者较为接近。例如图8中红色虚线框部分，浸胶芳纶布被刺入3 mm，而无纬PE布被刺入5 mm，无纬PE布显然比浸胶芳纶布消耗了更多的断裂能、摩擦能和热能，然而刀具在两者中的运动位移和到达时间几乎一致，结合图6刀具此时的动能也几乎一致，因此可以判断材料的破坏和摩擦耗散只占刀具能量传递的一小部分，大部分转换为防刺材料和背衬材料的弹性势能和动能。由此可知，防刺材料并不能起吸能作用，更多的是防止刀尖穿透对人体造成伤害。根据这个准则，防刺材料的研发重点应该放在增加每层的面外剪切强度，而非吸能上面。

图8 动态穿刺时刀具运动位移S-时间t示意图Fig.8 Schematic diagram of S-t during dynamic stabbing

2.5 刺着点形貌分析

表6给出了3种材料在未损伤、准静态刺破和动态刺破下的迎刀面切口的扫描电镜图。首先对比3种材料在准静态刺破下的形貌发现，纤维和基体的切口整齐，破坏形式主要为剪切破坏，切口比较小。其次观察3种材料的动态刺破切口时发现，纤维前端直径收缩、卷曲明显，出现较为明显的拉伸破坏特征，切口较大。结合图5刺破-曲线分析，准静态时刀尖和刀刃有充分的时间剪切断接触的纤维及基体，因此对于刺着点周围的材料以及将要接触材料影响较小；
动态刺透整体时间仅10 ms左右，刀尖不能及时地剪切接触的材料，导致周围还未接触的材料中纤维拉伸破坏，伴随着局部大变形。

表6 3种材料的未损伤、准静态切口和动态切口形貌对比Table 6 Comparison of undamaged，quasi-static，and dynamic notches for the three materials

最后横向对比3种材料的动态切口。如表6所示，浸胶芳纶布刺着点周围树脂基体破碎，部分纤维与树脂脱离，基体破碎的裂纹向刀身侧向延伸，表示在整个穿刺过程中吸能方式主要包括树脂基体破碎、纤维与树脂界面脱离、刺着点处纤维拉伸剪切破坏和裂纹扩展区域纤维拉伸；
无纬PE布中PE纤维被PET膜覆盖、硬度较小，单层的弯曲刚度也较小，使得刀具刺入过程有大量的纤维参与到防刺中，刺着点周围材料被向外推开、产生褶皱，部分PET膜与纤维层脱离，因此整个吸能过程主要包括纤维的剪切拉伸吸能、材料变形吸能和材料界面脱离吸能；
平纹芳纶布仅包含纤维而无基体，因此在整个过程中破坏模式也最单一，绝大部分为纤维的剪切破坏，小部分为拉伸破坏，由于是正交编织，与刀身平行的纤维对于防刺的贡献较少，并且缺乏基体对于纤维的限制，纤维受到刀具推挤相对滑移严重，其切口最大，也说明了硬度和弯曲刚度越小的防刺材料，其抗穿刺性能越差。

通过刺着点形貌分析发现，在纤维防刺芯片的设计中可结合基体，通过基体破碎、裂纹扩展、材料变形和材料分离等多种破坏模式阻挡穿刺，会有更好的防刺效果。具体实施方案包括：利用树脂基体浸渍高性能纤维、剪切增稠液浸渍高性能纤维、高性能纤维表面涂覆硬质粒子等。当然在市售产品中，也要考虑上述工艺的难度、生产效率和生产成本等。

本文通过对浸胶芳纶布、无纬PE布和平纹芳纶布3种防刺材料开展刚度测试、硬度测试、准静态穿刺实验和动态穿刺实验，研究了纤维复合材料的防刺机理及影响防刺性能的重要因素。得出以下主要结论：

1)相同面密度下，浸胶芳纶布的准静态刺破力最大，无纬PE布次之，平纹芳纶布最差；
在动态穿刺实验中，浸胶芳纶布未被穿透，无纬PE布和平纹芳纶布都被穿透，但无纬PE布的动态刺破力和失效前参与耗能都优于平纹芳纶布。因此，浸胶芳纶布的防刺性能最好，无纬PE次之，平纹芳纶布最差。

2)3种防刺材料中浸胶芳纶布的硬度和弯曲刚度最大；
防刺材料的硬度越大，抗面外剪切破坏的能力越强；
防刺材料的弯曲刚度越大，抵抗变形的能力越强；
硬度对防刺性能的影响要高于弯曲刚度。

3)动态穿刺下，3种防刺材料底层的变形和顶层的破坏实际上同步发生，刀具的动能大部分逐渐转换为背衬材料与防刺材料的动能和弹性变形能，少量转化为防刺材料的断裂能、摩擦能和热能，即使未完全穿透，浸胶芳纶布的刀具瞬时位移也达到了40 mm，存在钝伤风险。

4)防刺材料的防刺机理不是吸能，而是防止刀尖穿透、对人体造成伤害，因此增加防刺材料的面外剪切强度(或硬度)及弯曲刚度至关重要，通过纤维与基体结合的方式(如浸胶芳纶布)可有效提高防刺性能。

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