最顶级的军用生化防护服(功能纺织材料在单兵装备中的应用及研究进展之军事防护材料)

Posted 2023-05-29

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最顶级的军用生化防护服(功能纺织材料在单兵装备中的应用及研究进展之军事防护材料)

纺织品是军队中除武器装备外的第二大装备品，仅次于钢铁材料。军用纺织品的含义非常广泛，美国国防部财产目录中大约有10 000项产品部分或全部与纺织品有关。军用纺织品主要分为常规纺织品和特种纺织品。常规纺织品主要是指军装被服,包括常服、礼服、作训服、体能训练服、内衣、绒衣、棉衣、被褥、睡袋、携行具等，多采用普通纤维材料制成。特种纺织品包括士兵防护纺织品和军工配套纺织品，是指在战场上对官兵的安全起到防护作用的专用纺织品和军事装备所需的特种纺织品。士兵防护纺织品又分为单兵防护、核生化防护和其他特种防护纺织品等类别，包括防弹衣、防化服、抗浸服、导弹推进剂防护服、核生化沾染防护服、防酸防碱工作服、阻燃作战服、迷彩伪装服、电磁辐射防护服、飞行服、防高温服、防寒服、救生衣、抗荷服、航天服、避雷靴等。军工配套纺织品则包括油料储运材料、伪装和屏蔽材料、武器弹药用纺织品、航空航天及战略武器用纺织品和特种缆绳等。

随着现代战争朝着信息化、智能化、无人化发展,战争对单兵装备的要求越来越高,其必然会朝着轻量化、智能化、舒适化、多功能化的方向发展。基于此，本文主要围绕军事安全防护材料的最新应用及研究进展进行介绍。

军事安全防护材料

1.防弹纺织材料

1972年，美国杜邦公司推出了对位芳香族聚酰胺纤维商业化产品Kevlar,标志着防弹材料由硬质向软质转变。1986年，美国联合信号公司开始以Spectra™为商标生产一种强度更高的超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE)纤维防弹衣，加速了防弹材料向轻量化、舒适化的方向发展(如图1所示)。软质防弹衣为多层机织或层压织物结构，可提供弹性的弹道防护。使用Spectra™UHMWPE纤维制作的防弹衣性能主要取决于纤维的自身性能及护板结构冏。目前Spectra™防弹衣不仅具有防水性能,还具有抵御连发枪弹的功能。然而,基于UHMWPE纤维的防弹材料对刀切和穿刺的抵抗能力一般。

图1 UHMWPE 纤维防弹衣

2.防刺纺织材料

目前在开发防刺防弹衣时,常用的材料有Kevlar纤维、剪切增稠材料和纳米材料。用热塑性薄膜(聚乙烯、乙烯-丙烯酸树脂等)与Kevlar 纤维织物生产的复合材料,静态和动态抗穿刺性都能得到显著提升。在多层保护性纺织品的防弹和防刺性能研究中,最具前景的是基于膨胀型聚硅氧烷的硅乳液和剪切增稠液(shear thickening fluid,STF）。STF是基于分散和稀释在液体中的高浓度纳米颗粒，具有膨胀的流变行为。剪切增稠防刺服正是采用高性能纤维与STF体系混合，制成STF防刺布，其防刺性能高，且非常薄、柔软舒适。采用STF浸渍的芳纶机织物比等面积密度的纯织物具有显著的耐穿刺性。

研究表明, 浸渍有STF的UHMWPE纤维织物的动态防刺性能显著增强。而且，随着添加剂浓度和分子链长度的增加,STF/UHMWPE纤维复合材料的耐刺性能,尤其是耐尖刺性能得到明显改善。STF的替代品可以是通过热喷涂施加到纺织品上的陶瓷或金属涂层，或者是通过涂层或粉末喷枪施加的硅基膨胀粉末。

3.防火阻燃材料

阻燃材料对火场环境中的战斗、消防活动具有重要作用。阻燃迷彩作训服、阻燃工作服、防爆毯、排爆服等可在不同环境中发挥作用。2017年,我国阻燃服需求量约为1300万套，阻燃服生产厂家约240家。随着新材料的不断涌现,阻燃防护服的性能要求也逐步提高(详见表1)。阻燃面料主要通过2种材料制得，分别是本质阻燃纤维和改性阻燃纤维。将包含氧化石墨烯和油酸改性的ZIF-8涂层沉积到棉织物上,具有显著的热稳定性和防火作用。在聚酯纤维中加入蒙脱石纳米材料也可增强织物的阻燃性，所制备的织物可以很好地用于军事和电子方面。利用层层组装法将壳聚糖/植酸整理到聚酯/棉混纺织物上，能够大大地改善织物阻燃性能，且可以防止织物的熔融、滴落。但目前阻燃面料最大的问题是高性能纤维原材料依赖进口。因此，目前对防火阻燃面料的国产化研究主要集中在2个方面：快速复配阻燃纤维成分及比例研究和高性价比的阻燃面料开发。

4.隔热防护材料

在热防护服的防护与舒适性能研究方面, 服装的隔热特性主要与纤维的性质和特征、纱线类型和捻度、织物表面性质和结构特征、服装合身性等因素有关。比如纳米纤维、中空纤维、异形纤维等能够储存大量静止空气，从而提高织物的隔热性能(如图2所示)。

图 2 异形纤维横截面显微图

在热防护服的制造中，纳米纤维中间层由于其强大的辐射消光性,在改善多孔介质的隔热性能方面显示出广阔的前景。将具有不同层数的纳米中间层掺入棉絮中，通过对纤维层的可控设计,总隔热性能可以提高10%,而质量变化不大。另外相变材料(phase change material,PCM)在开发智能热防护服方面也极具潜力。负载石蜡的有机PCM可改变织物的隔热性能，将具有智能双向热调节功能的PCM层结合到热防护服中,PCM的高热容会增加热防护服在热接触过程中积聚热量的潜力，还可以改善热防护服的散热性能。目前，高性能热防护服已取得较大进展，可以为单兵装备提供较佳的保护和舒适感。但是热防护服仍多应用于高度专业化的环境,如航空航天、军事防御等领域未来随着成本降低、材料轻量化，热防护服将在更多场景得到应用。