超级军网高技术纤维在防弹衣中的应用
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/29 15:12:21
防 弹 衣 发 展 至 今 已 出 现 了 硬 体 、 软 件 和 软 硬 复 合 式 三 种类 型 ， 而 应 用 的 原 料 可 分 为 硬 质 材 料 和 软 质 材 料 两 种 。硬 质 材 料 有 钢 板 、 钛 合 金 、 铝 合 金 板 及 氧 化 铝 防 弹 陶 瓷等 ， 软 质 的 则 多 为 高 分 子 聚 合 物 ， 如 ： 芳 香 族 聚 酰 胺 (Aramid)、超 高 分 子 量 聚 乙 烯 (UHMWPE)、 高 强 聚 丙 烯 、 尼 龙 ， 以 及 无机 纤 维 如 高 性 能 E型 、 S型 、 O型 玻 璃 纤 维 等 。 设 计 高 性 能的 防 弹 衣 最 关 键 的 一 步 是 确 定 最 佳 的 防 弹 材 料 。 高 性 能纺 织 纤 维 在 目 前 国 际 盛 行 的 软 体 及 软 硬 复 合 式 防 弹 衣 中发 挥 着 重 要 的 作 用 。 其 中 ， 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 和 超 高 分子 量 聚 乙 烯 纤 维 应 用 最 为 广 泛 。
芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维
芳 香 族 聚 酰 胺 是 指 酰 胺 键 直 接 与 两 个 芳 环 连 接 而 成 的 线型 聚 合 物 。 用 这 种 聚 合 物 制 成 的 纤 维 即 芳 香 族 聚 酰 胺 纤维 ， 在 我 国 ， 其 商 品 名 为 芳 纶 。 聚 对 苯 二 甲 酰 对 苯 二 胺 (PPTA)纤 维 是 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 中 最 具 代 表 性 的 高 强 度 、高 模 量 和 耐 高 温 纤 维 。 该 纤 维 最 早 由 美 国 杜 邦 公 司 于 1971年试 制 成 功 ， 注 册 商 标 为 “ 凯 夫 拉 ” (Kevlar)。 1986年 ， 荷 兰的 阿 克 苏 (AKZO)公 司 也 开 始 生 产 PPTA纤 维 ， 注 册 商 标 为 “ 特沃 纶 ” (Twaron)， 从 而 打 破 了 杜 邦 公 司 独 家 垄 断 PPTA纤 维 的局 面 。 在 随 后 的 几 年 中 ， 还 有 一 些 公 司 如 日 本 帝 人 公 司研 制 成 功 了 不 同 的 对 位 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 ， 如 “ 泰 克 诺阿 ” (Technora)等 。
[B]高技术纤维“凯夫拉”织物[/B]防 弹 衣 发 展 至 今 已 出 现 了 硬 体 、 软 件 和 软 硬 复 合 式 三 种类 型 ， 而 应 用 的 原 料 可 分 为 硬 质 材 料 和 软 质 材 料 两 种 。硬 质 材 料 有 钢 板 、 钛 合 金 、 铝 合 金 板 及 氧 化 铝 防 弹 陶 瓷等 ， 软 质 的 则 多 为 高 分 子 聚 合 物 ， 如 ： 芳 香 族 聚 酰 胺 (Aramid)、超 高 分 子 量 聚 乙 烯 (UHMWPE)、 高 强 聚 丙 烯 、 尼 龙 ， 以 及 无机 纤 维 如 高 性 能 E型 、 S型 、 O型 玻 璃 纤 维 等 。 设 计 高 性 能的 防 弹 衣 最 关 键 的 一 步 是 确 定 最 佳 的 防 弹 材 料 。 高 性 能纺 织 纤 维 在 目 前 国 际 盛 行 的 软 体 及 软 硬 复 合 式 防 弹 衣 中发 挥 着 重 要 的 作 用 。 其 中 ， 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 和 超 高 分子 量 聚 乙 烯 纤 维 应 用 最 为 广 泛 。
芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维
芳 香 族 聚 酰 胺 是 指 酰 胺 键 直 接 与 两 个 芳 环 连 接 而 成 的 线型 聚 合 物 。 用 这 种 聚 合 物 制 成 的 纤 维 即 芳 香 族 聚 酰 胺 纤维 ， 在 我 国 ， 其 商 品 名 为 芳 纶 。 聚 对 苯 二 甲 酰 对 苯 二 胺 (PPTA)纤 维 是 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 中 最 具 代 表 性 的 高 强 度 、高 模 量 和 耐 高 温 纤 维 。 该 纤 维 最 早 由 美 国 杜 邦 公 司 于 1971年试 制 成 功 ， 注 册 商 标 为 “ 凯 夫 拉 ” (Kevlar)。 1986年 ， 荷 兰的 阿 克 苏 (AKZO)公 司 也 开 始 生 产 PPTA纤 维 ， 注 册 商 标 为 “ 特沃 纶 ” (Twaron)， 从 而 打 破 了 杜 邦 公 司 独 家 垄 断 PPTA纤 维 的局 面 。 在 随 后 的 几 年 中 ， 还 有 一 些 公 司 如 日 本 帝 人 公 司研 制 成 功 了 不 同 的 对 位 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 ， 如 “ 泰 克 诺阿 ” (Technora)等 。
[B]高技术纤维“凯夫拉”织物[/B]
芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维
芳 香 族 聚 酰 胺 是 指 酰 胺 键 直 接 与 两 个 芳 环 连 接 而 成 的 线型 聚 合 物 。 用 这 种 聚 合 物 制 成 的 纤 维 即 芳 香 族 聚 酰 胺 纤维 ， 在 我 国 ， 其 商 品 名 为 芳 纶 。 聚 对 苯 二 甲 酰 对 苯 二 胺 (PPTA)纤 维 是 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 中 最 具 代 表 性 的 高 强 度 、高 模 量 和 耐 高 温 纤 维 。 该 纤 维 最 早 由 美 国 杜 邦 公 司 于 1971年试 制 成 功 ， 注 册 商 标 为 “ 凯 夫 拉 ” (Kevlar)。 1986年 ， 荷 兰的 阿 克 苏 (AKZO)公 司 也 开 始 生 产 PPTA纤 维 ， 注 册 商 标 为 “ 特沃 纶 ” (Twaron)， 从 而 打 破 了 杜 邦 公 司 独 家 垄 断 PPTA纤 维 的局 面 。 在 随 后 的 几 年 中 ， 还 有 一 些 公 司 如 日 本 帝 人 公 司研 制 成 功 了 不 同 的 对 位 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 ， 如 “ 泰 克 诺阿 ” (Technora)等 。
[B]高技术纤维“凯夫拉”织物[/B]防 弹 衣 发 展 至 今 已 出 现 了 硬 体 、 软 件 和 软 硬 复 合 式 三 种类 型 ， 而 应 用 的 原 料 可 分 为 硬 质 材 料 和 软 质 材 料 两 种 。硬 质 材 料 有 钢 板 、 钛 合 金 、 铝 合 金 板 及 氧 化 铝 防 弹 陶 瓷等 ， 软 质 的 则 多 为 高 分 子 聚 合 物 ， 如 ： 芳 香 族 聚 酰 胺 (Aramid)、超 高 分 子 量 聚 乙 烯 (UHMWPE)、 高 强 聚 丙 烯 、 尼 龙 ， 以 及 无机 纤 维 如 高 性 能 E型 、 S型 、 O型 玻 璃 纤 维 等 。 设 计 高 性 能的 防 弹 衣 最 关 键 的 一 步 是 确 定 最 佳 的 防 弹 材 料 。 高 性 能纺 织 纤 维 在 目 前 国 际 盛 行 的 软 体 及 软 硬 复 合 式 防 弹 衣 中发 挥 着 重 要 的 作 用 。 其 中 ， 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 和 超 高 分子 量 聚 乙 烯 纤 维 应 用 最 为 广 泛 。
芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维
芳 香 族 聚 酰 胺 是 指 酰 胺 键 直 接 与 两 个 芳 环 连 接 而 成 的 线型 聚 合 物 。 用 这 种 聚 合 物 制 成 的 纤 维 即 芳 香 族 聚 酰 胺 纤维 ， 在 我 国 ， 其 商 品 名 为 芳 纶 。 聚 对 苯 二 甲 酰 对 苯 二 胺 (PPTA)纤 维 是 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 中 最 具 代 表 性 的 高 强 度 、高 模 量 和 耐 高 温 纤 维 。 该 纤 维 最 早 由 美 国 杜 邦 公 司 于 1971年试 制 成 功 ， 注 册 商 标 为 “ 凯 夫 拉 ” (Kevlar)。 1986年 ， 荷 兰的 阿 克 苏 (AKZO)公 司 也 开 始 生 产 PPTA纤 维 ， 注 册 商 标 为 “ 特沃 纶 ” (Twaron)， 从 而 打 破 了 杜 邦 公 司 独 家 垄 断 PPTA纤 维 的局 面 。 在 随 后 的 几 年 中 ， 还 有 一 些 公 司 如 日 本 帝 人 公 司研 制 成 功 了 不 同 的 对 位 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 ， 如 “ 泰 克 诺阿 ” (Technora)等 。
[B]高技术纤维“凯夫拉”织物[/B]
PPTA纤 维 是 一 种 外 观 呈 黄 色 的 纤 维 。 合 成 PPTA所 用 的 单 体主 要 为 苯 二 胺 和 对 苯 二 甲 酰 氯 。 在 聚 合 路 线 上 ， 杜 邦 公司 与 AKZO公 司 都 有 各 自 的 方 法 ， 但 PPTA的 纺 丝 成 形 则 通 常采 用 浓 硫 酸 为 溶 剂 的 干 -湿 纺 丝 法 (Dry-Wet Spinning Method)。
芳 纶 的 分 子 链 由 苯 环 和 酰 胺 基 按 一 定 规 律 排 列 而 成 。 酰胺 基 因 都 在 苯 环 的 直 位 上 ， 使 聚 合 物 具 有 良 好 的 规 整 性， 因 此 芳 纶 具 有 较 高 的 结 晶 度 。 沿 纤 维 轴 向 有 较 强 的 共价 键 ， 而 在 纤 维 的 横 向 则 是 由 分 子 链 上 的 氢 原 子 与 其 他分 子 链 上 的 酰 胺 对 羰 基 结 合 成 的 较 弱 的 氢 链 连 结 ， 这 导致 了 芳 纶 力 学 性 能 的 各 向 异 性 。 纤 维 的 苯 环 结 构 使 其 分子 链 难 以 旋 转 ， 高 聚 物 分 子 不 能 折 叠 ， 刚 性 大 分 子 沿 纤维 轴 向 伸 直 和 高 度 取 向 ， 形 成 棒 状 结 构 ， 从 而 使 纤 维 具有 很 高 的 模 量 。 另 外 ， 这 种 线 性 结 构 也 使 纤 维 具 有 了 较高 的 强 度 。 与 此 同 时 ， 苯 环 内 电 子 的 共 轭 作 用 ， 赋 予 了纤 维 较 高 的 化 学 稳 定 性 ， 而 苯 环 的 刚 性 则 使 高 聚 物 拥 有晶 体 的 本 质 ， 从 而 赋 予 纤 维 高 温 下 的 尺 寸 稳 定 性 。
芳 纶 独 特 的 分 子 结 构 决 定 了 它 与 众 不 同 的 基 本 性 能 。
(1)力 学 性 能
芳 纶 拉 伸 强 度 和 初 始 模 量 很 高 ， 而 延 伸 率 较 低 。 其 拉 伸强 度 约 为 E玻 璃 纤 维 的 一 倍 半 ， 与 碳 纤 维 相 当 ， 而 拉 伸 模量 仅 次 于 碳 纤 维 和 硼 纤 维 。 由 于 芳 纶 的 密 度 较 低 ， 因 此具 有 很 高 的 比 模 量 和 比 强 度 ， 这 一 特 征 使 其 成 为 防 弹 衣的 优 良 材 料 。
与 其 他 有 机 纤 维 相 比 ， 芳 纶 的 蠕 变 速 度 较 低 ， 其 数 值 与钢 相 近 ， 其 收 缩 率 和 膨 胀 率 也 很 小 ， 与 钢 和 玻 璃 纤 维 接近 ， 因 此 芳 纶 具 有 良 好 的 尺 寸 稳 定 性 。
另 外 ， 芳 纶 还 具 有 良 好 的 耐 静 应 力 断 裂 性 能 ， 能 在 很 长的 时 间 内 保 持 很 大 的 极 限 抗 拉 强 度 ， 在 静 载 荷 下 断 裂 的时 间 较 长 。
(2)热 性 能
芳 纶 具 有 良 好 的 热 稳 定 性 。 PPTA纤 维 的 玻 璃 化 转 变 温 度 约 345℃ ， 在 高 温 下 不 熔 ， 收 缩 亦 很 少 。 在 高 达 180℃ 的 温 度下 ， 它 能 很 好 地 保 持 其 性 能 。 在 -170℃ 的 低 温 下 也 不 会 变脆 ， 并 保 持 其 各 项 性 能 没 有 明 显 的 降 低 。 由 于 芳 纶 不 熔融 也 不 易 燃 ， 短 时 间 内 暴 露 在 300℃ 以 上 ， 对 于 强 度 几 乎没 有 影 响 。 如 将 其 在 160℃ 热 空 气 中 处 理 400小 时 ， 纤 维 的强 度 也 基 本 不 变 。 另 外 ， 芳 纶 的 极 限 氧 指 数 (材 料 点 燃 后在 氧 － 氮 大 气 里 维 持 燃 烧 所 需 要 的 最 低 的 含 氧 量 体 积 百分 数 )约 为 20， 纤 维 本 身 虽 可 燃 烧 ， 但 离 开 火 源 后 能 自 熄。
(3)耐 化 学 稳 定 性
芳 纶 对 普 通 有 机 溶 剂 、 盐 类 溶 液 有 很 好 的 稳 定 性 ， 但 耐强 酸 、 强 碱 性 较 差 。 水 分 会 较 大 幅 度 地 降 低 芳 纶 的 强 度。 同 时 ， 它 对 紫 外 线 也 较 为 敏 感 。 长 时 间 暴 露 在 日 光 中会 使 其 强 度 损 失 很 大 。 因 此 芳 纶 材 料 一 般 都 是 在 密 封 状态 下 使 用 ， 一 是 为 了 防 水 ， 二 是 为 了 防 紫 外 线 。
芳 纶 的 高 强 、 高 模 及 耐 高 温 特 性 使 用 它 在 诸 多 领 域 大 有用 武 之 地 ， 如 ： 可 作 航 空 材 料 、 各 种 体 育 器 材 、 建 筑 材料 等 。 芳 纶 用 作 防 弹 材 料 是 这 一 领 域 的 一 个 重 大 飞 跃 。它 大 大 地 减 轻 了 防 弹 衣 的 重 量 ， 提 高 了 防 弹 衣 的 服 用 舒适 性 ， 同 时 也 在 一 定 程 度 上 提 高 了 防 弹 衣 的 防 弹 能 力 ，因 此 在 世 界 范 围 内 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 今 天 使 用 的 Kevlar防弹 衣 ， 其 防 护 等 级 已 达 到 了 美 国 司 法 部 规 定 的 警 用 防 弹标 准 NIJⅢ A级 。 在 过 去 的 20多 年 中 ， 美 国 杜 邦 公 司 一 直 致力 于 改 进 Kevlar的 性 能 ， 开 发 更 高 强 、 高 模 的 芳 纶 。 目 前已 开 发 的 适 用 于 防 弹 材 料 的 有 ： Kevlar29、 Kevlar49、 Kevlar129、 KevlarLT、 KevlarKM-2等 。 其 中 ， Kevlar49比 Kevlar29的 断 面 要 粗 一些 ， 因 此 成 为 制 作 车 辆 、 船 舶 、 飞 机 硬 体 防 弹 装 甲 的 更佳 材 料 。 Kevlar29和 Kevlar129则 较 为 柔 软 ， 更 适 合 于 作 软 体防 弹 衣 。 目 前 国 外 防 弹 衣 已 开 始 使 用 Kevlar129。 AKZO公 司 也先 后 研 制 成 功 了 特 细 度 Twaron2000芳 纶 。 这 些 改 进 纤 维 的 层出 不 穷 ， 为 防 弹 衣 技 术 的 发 展 提 供 了 保 证 。
超 高 分 子 量 聚 乙 烯 纤 维
在 一 般 的 纺 丝 条 件 下 ， 聚 乙 烯 和 其 他 柔 性 链 纤 维 聚 合 物如 ： 聚 丙 烯 、 聚 酯 等 一 样 ， 在 经 过 熔 融 或 溶 液 纺 丝 成 形及 其 后 处 理 过 程 以 后 ， 纤 维 内 部 的 大 分 子 仍 多 呈 折 叠 结构 ， 取 向 度 、 结 晶 度 低 ， 无 法 达 到 高 强 高 模 的 要 求 。 1975年， 荷 兰 DSM公 司 采 用 凝 胶 纺 丝 法 试 制 成 功 了 具 有 优 异 抗 张性 能 的 UHMWPE， 并 于 1979年 申 请 了 专 利 。 1985年 ， 美 国 联 合信 号 (Allied Signal)公 司 购 买 了 DSM公 司 的 专 利 。 这 两 家 公 司生 产 的 UHMWPE的 注 册 商 标 分 别 为 “ 戴 尼 莫 ” （ Dyneema） 和 “ 斯 潘 克 特 ” （ Spectra） ， 是 目 前 用 于 防 弹 衣 的 最 成 熟 的 UHMWPE纤维 。
[B]美国杜邦公司生产的防弹背心和防弹头盔都是高技术纤维“凯夫拉”的杰作[/B]
超 高 分 子 量 （ 1× 106～ 5× 106） 的 聚 乙 烯 溶 化 于 适 当 的 溶剂 后 形 成 纺 丝 溶 液 ， 使 其 分 子 减 少 缠 结 ， 然 后 通 过 多 孔的 喷 丝 头 挤 出 ， 冷 却 形 成 凝 胶 纤 维 ， 并 除 去 部 分 或 全 部溶 剂 ， 再 在 高 温 （ 120℃ ～ 130℃ ） 下 ， 采 用 拉 伸 率 大 于 100倍的 超 拉 伸 技 术 ， 使 折 叠 的 聚 乙 烯 大 分 子 伸 直 并 高 度 取 向， 制 得 高 强 聚 乙 烯 纤 维 。
UHMWPE具 有 很 高 的 主 链 结 合 强 度 ， 再 加 上 其 高 度 结 晶 取 向， 使 纤 维 具 有 很 高 的 强 度 和 模 量 。 又 因 其 密 度 小 于 1， 所以 它 的 比 拉 伸 模 量 是 芳 纶 的 4～ 5倍 。 同 时 ， 其 挠 曲 寿 命优 于 芳 纶 ， 断 裂 伸 长 率 为 3.6％ ， 大 于 芳 纶 。 这 一 特 征 使 UHMWPE具 有 较 强 的 耐 冲 击 性 和 能 量 吸 收 能 力 ， 但 同 时 也 使纤 维 的 蠕 变 效 应 较 大 ， 影 响 织 物 整 体 的 尺 寸 稳 定 性 。
在 化 学 性 质 方 面 ， 由 于 UHMWPE纤 维 具 有 高 结 晶 度 和 取 向 度， 大 分 子 截 面 积 小 ， 所 以 分 子 链 间 排 列 得 很 紧 密 ， 从 而有 效 地 阻 止 了 化 学 试 剂 的 侵 蚀 ， 其 耐 化 学 试 剂 的 能 力 强于 芳 纶 。 水 对 UHMWPE纤 维 的 强 度 几 乎 没 有 影 响 ， 耐 光 性 也极 佳 。
然 而 ， UHMWPE弱 点 之 一 是 其 耐 热 性 低 。 它 的 熔 点 在 150℃ 左右 ， 因 而 在 子 弹 击 中 织 物 并 与 纱 线 、 纤 维 发 生 剧 烈 摩 擦时 产 生 的 热 量 足 可 使 纤 维 熔 融 。 另 外 ， 由 于 UHMWPE纤 维 表面 的 惰 性 、 非 极 性 、 湿 润 性 差 ， 因 此 在 以 UHMWPE为 增 强 纤维 的 复 合 材 料 中 ， 纤 维 与 树 脂 基 体 之 间 的 界 面 粘 结 强 度较 低 。 这 一 缺 陷 的 直 接 后 果 便 是 在 这 种 复 合 材 料 受 层 间剪 切 、 横 向 拉 伸 等 作 用 时 出 现 分 层 现 象 ， 从 而 极 大 地 降低 了 材 料 的 强 度 。
以 上 两 个 弱 点 可 以 说 是 UHMWPE纤 维 所 面 临 的 最 大 挑 战 。 尽管 如 此 ， UHMWPE已 在 防 弹 领 域 成 为 芳 纶 强 劲 的 对 手 ， 打 破了 芳 纶 一 统 天 下 的 局 面 。 美 国 联 合 信 号 公 司 和 荷 兰 DSM公司 不 遗 余 力 地 推 出 新 产 品 。 Spectra 2000已 是 UHMWPE纤 维 的 第三 代 产 品 ， 和 其 “ 前 辈 ” 相 比 ， 这 一 型 号 纤 维 的 细 度 变小 ， 而 强 度 并 未 减 弱 。 Dyneema的 第 四 代 产 品 是 Dyneema SK77，其 强 度 比 SK66高 30%， 以 此 为 原 料 的 无 纬 布 DyneemaUD具 有 超 过声 速 的 能 量 扩 散 速 度 。
其 他 防 弹 复 合 材 料
随 着 武 器 的 发 展 ， 其 杀 伤 力 不 断 增 强 。 单 纯 的 软 体 防 弹衣 对 高 能 子 弹 的 防 护 已 显 得 力 不 从 心 。 一 方 面 ， 为 了 提高 防 弹 能 力 就 必 须 增 加 防 弹 织 物 的 层 数 ， 从 而 使 防 弹 衣的 重 量 增 加 ， 服 用 舒 适 性 下 降 。 另 一 方 ， 在 高 能 子 弹 的冲 击 下 ， 即 使 防 弹 衣 可 以 将 子 弹 挡 住 ， 也 有 可 能 引 起 人体 非 贯 穿 性 损 伤 。 硬 质 防 弹 复 合 材 料 就 是 为 了 解 决 这 些问 题 而 开 发 出 来 的 。
目 前 用 于 防 弹 衣 上 的 硬 质 防 弹 复 合 材 料 大 部 分 是 纤 维 复合 材 料 。 在 材 料 中 ， 纤 维 起 增 强 作 用 ， 承 受 大 部 分 载 荷， 赋 予 复 合 材 料 以 高 强 、 高 模 等 力 学 性 质 。 基 体 通 过 界面 将 载 荷 传 递 给 纤 维 ， 使 载 荷 均 匀 分 布 ， 以 充 分 发 挥 增强 纤 维 优 异 的 力 学 性 能 ， 并 保 护 纤 维 免 受 外 界 损 伤 。
在 用 于 防 弹 衣 的 纤 维 复 合 材 料 中 ， 一 般 以 各 种 固 性 或 热塑 性 树 脂 为 基 体 ， 以 芳 纶 、 UHMWPE纤 维 、 陶 瓷 纤 维 、 玻 璃纤 维 等 为 增 强 材 料 。 用 这 些 复 合 材 料 制 成 的 硬 质 防 弹 板不 仅 可 以 作 为 各 种 车 辆 、 建 筑 物 等 的 固 定 防 弹 装 甲 和 防弹 盾 牌 等 活 动 防 弹 装 甲 ， 还 可 用 作 防 弹 背 心 的 防 弹 插 板， 插 于 防 弹 背 心 的 前 片 和 后 片 ， 以 提 高 这 些 部 位 的 防 弹能 力 。
芳 纶 的 分 子 链 由 苯 环 和 酰 胺 基 按 一 定 规 律 排 列 而 成 。 酰胺 基 因 都 在 苯 环 的 直 位 上 ， 使 聚 合 物 具 有 良 好 的 规 整 性， 因 此 芳 纶 具 有 较 高 的 结 晶 度 。 沿 纤 维 轴 向 有 较 强 的 共价 键 ， 而 在 纤 维 的 横 向 则 是 由 分 子 链 上 的 氢 原 子 与 其 他分 子 链 上 的 酰 胺 对 羰 基 结 合 成 的 较 弱 的 氢 链 连 结 ， 这 导致 了 芳 纶 力 学 性 能 的 各 向 异 性 。 纤 维 的 苯 环 结 构 使 其 分子 链 难 以 旋 转 ， 高 聚 物 分 子 不 能 折 叠 ， 刚 性 大 分 子 沿 纤维 轴 向 伸 直 和 高 度 取 向 ， 形 成 棒 状 结 构 ， 从 而 使 纤 维 具有 很 高 的 模 量 。 另 外 ， 这 种 线 性 结 构 也 使 纤 维 具 有 了 较高 的 强 度 。 与 此 同 时 ， 苯 环 内 电 子 的 共 轭 作 用 ， 赋 予 了纤 维 较 高 的 化 学 稳 定 性 ， 而 苯 环 的 刚 性 则 使 高 聚 物 拥 有晶 体 的 本 质 ， 从 而 赋 予 纤 维 高 温 下 的 尺 寸 稳 定 性 。
芳 纶 独 特 的 分 子 结 构 决 定 了 它 与 众 不 同 的 基 本 性 能 。
(1)力 学 性 能
芳 纶 拉 伸 强 度 和 初 始 模 量 很 高 ， 而 延 伸 率 较 低 。 其 拉 伸强 度 约 为 E玻 璃 纤 维 的 一 倍 半 ， 与 碳 纤 维 相 当 ， 而 拉 伸 模量 仅 次 于 碳 纤 维 和 硼 纤 维 。 由 于 芳 纶 的 密 度 较 低 ， 因 此具 有 很 高 的 比 模 量 和 比 强 度 ， 这 一 特 征 使 其 成 为 防 弹 衣的 优 良 材 料 。
与 其 他 有 机 纤 维 相 比 ， 芳 纶 的 蠕 变 速 度 较 低 ， 其 数 值 与钢 相 近 ， 其 收 缩 率 和 膨 胀 率 也 很 小 ， 与 钢 和 玻 璃 纤 维 接近 ， 因 此 芳 纶 具 有 良 好 的 尺 寸 稳 定 性 。
另 外 ， 芳 纶 还 具 有 良 好 的 耐 静 应 力 断 裂 性 能 ， 能 在 很 长的 时 间 内 保 持 很 大 的 极 限 抗 拉 强 度 ， 在 静 载 荷 下 断 裂 的时 间 较 长 。
(2)热 性 能
芳 纶 具 有 良 好 的 热 稳 定 性 。 PPTA纤 维 的 玻 璃 化 转 变 温 度 约 345℃ ， 在 高 温 下 不 熔 ， 收 缩 亦 很 少 。 在 高 达 180℃ 的 温 度下 ， 它 能 很 好 地 保 持 其 性 能 。 在 -170℃ 的 低 温 下 也 不 会 变脆 ， 并 保 持 其 各 项 性 能 没 有 明 显 的 降 低 。 由 于 芳 纶 不 熔融 也 不 易 燃 ， 短 时 间 内 暴 露 在 300℃ 以 上 ， 对 于 强 度 几 乎没 有 影 响 。 如 将 其 在 160℃ 热 空 气 中 处 理 400小 时 ， 纤 维 的强 度 也 基 本 不 变 。 另 外 ， 芳 纶 的 极 限 氧 指 数 (材 料 点 燃 后在 氧 － 氮 大 气 里 维 持 燃 烧 所 需 要 的 最 低 的 含 氧 量 体 积 百分 数 )约 为 20， 纤 维 本 身 虽 可 燃 烧 ， 但 离 开 火 源 后 能 自 熄。
(3)耐 化 学 稳 定 性
芳 纶 对 普 通 有 机 溶 剂 、 盐 类 溶 液 有 很 好 的 稳 定 性 ， 但 耐强 酸 、 强 碱 性 较 差 。 水 分 会 较 大 幅 度 地 降 低 芳 纶 的 强 度。 同 时 ， 它 对 紫 外 线 也 较 为 敏 感 。 长 时 间 暴 露 在 日 光 中会 使 其 强 度 损 失 很 大 。 因 此 芳 纶 材 料 一 般 都 是 在 密 封 状态 下 使 用 ， 一 是 为 了 防 水 ， 二 是 为 了 防 紫 外 线 。
芳 纶 的 高 强 、 高 模 及 耐 高 温 特 性 使 用 它 在 诸 多 领 域 大 有用 武 之 地 ， 如 ： 可 作 航 空 材 料 、 各 种 体 育 器 材 、 建 筑 材料 等 。 芳 纶 用 作 防 弹 材 料 是 这 一 领 域 的 一 个 重 大 飞 跃 。它 大 大 地 减 轻 了 防 弹 衣 的 重 量 ， 提 高 了 防 弹 衣 的 服 用 舒适 性 ， 同 时 也 在 一 定 程 度 上 提 高 了 防 弹 衣 的 防 弹 能 力 ，因 此 在 世 界 范 围 内 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 今 天 使 用 的 Kevlar防弹 衣 ， 其 防 护 等 级 已 达 到 了 美 国 司 法 部 规 定 的 警 用 防 弹标 准 NIJⅢ A级 。 在 过 去 的 20多 年 中 ， 美 国 杜 邦 公 司 一 直 致力 于 改 进 Kevlar的 性 能 ， 开 发 更 高 强 、 高 模 的 芳 纶 。 目 前已 开 发 的 适 用 于 防 弹 材 料 的 有 ： Kevlar29、 Kevlar49、 Kevlar129、 KevlarLT、 KevlarKM-2等 。 其 中 ， Kevlar49比 Kevlar29的 断 面 要 粗 一些 ， 因 此 成 为 制 作 车 辆 、 船 舶 、 飞 机 硬 体 防 弹 装 甲 的 更佳 材 料 。 Kevlar29和 Kevlar129则 较 为 柔 软 ， 更 适 合 于 作 软 体防 弹 衣 。 目 前 国 外 防 弹 衣 已 开 始 使 用 Kevlar129。 AKZO公 司 也先 后 研 制 成 功 了 特 细 度 Twaron2000芳 纶 。 这 些 改 进 纤 维 的 层出 不 穷 ， 为 防 弹 衣 技 术 的 发 展 提 供 了 保 证 。
超 高 分 子 量 聚 乙 烯 纤 维
在 一 般 的 纺 丝 条 件 下 ， 聚 乙 烯 和 其 他 柔 性 链 纤 维 聚 合 物如 ： 聚 丙 烯 、 聚 酯 等 一 样 ， 在 经 过 熔 融 或 溶 液 纺 丝 成 形及 其 后 处 理 过 程 以 后 ， 纤 维 内 部 的 大 分 子 仍 多 呈 折 叠 结构 ， 取 向 度 、 结 晶 度 低 ， 无 法 达 到 高 强 高 模 的 要 求 。 1975年， 荷 兰 DSM公 司 采 用 凝 胶 纺 丝 法 试 制 成 功 了 具 有 优 异 抗 张性 能 的 UHMWPE， 并 于 1979年 申 请 了 专 利 。 1985年 ， 美 国 联 合信 号 (Allied Signal)公 司 购 买 了 DSM公 司 的 专 利 。 这 两 家 公 司生 产 的 UHMWPE的 注 册 商 标 分 别 为 “ 戴 尼 莫 ” （ Dyneema） 和 “ 斯 潘 克 特 ” （ Spectra） ， 是 目 前 用 于 防 弹 衣 的 最 成 熟 的 UHMWPE纤维 。
[B]美国杜邦公司生产的防弹背心和防弹头盔都是高技术纤维“凯夫拉”的杰作[/B]
超 高 分 子 量 （ 1× 106～ 5× 106） 的 聚 乙 烯 溶 化 于 适 当 的 溶剂 后 形 成 纺 丝 溶 液 ， 使 其 分 子 减 少 缠 结 ， 然 后 通 过 多 孔的 喷 丝 头 挤 出 ， 冷 却 形 成 凝 胶 纤 维 ， 并 除 去 部 分 或 全 部溶 剂 ， 再 在 高 温 （ 120℃ ～ 130℃ ） 下 ， 采 用 拉 伸 率 大 于 100倍的 超 拉 伸 技 术 ， 使 折 叠 的 聚 乙 烯 大 分 子 伸 直 并 高 度 取 向， 制 得 高 强 聚 乙 烯 纤 维 。
UHMWPE具 有 很 高 的 主 链 结 合 强 度 ， 再 加 上 其 高 度 结 晶 取 向， 使 纤 维 具 有 很 高 的 强 度 和 模 量 。 又 因 其 密 度 小 于 1， 所以 它 的 比 拉 伸 模 量 是 芳 纶 的 4～ 5倍 。 同 时 ， 其 挠 曲 寿 命优 于 芳 纶 ， 断 裂 伸 长 率 为 3.6％ ， 大 于 芳 纶 。 这 一 特 征 使 UHMWPE具 有 较 强 的 耐 冲 击 性 和 能 量 吸 收 能 力 ， 但 同 时 也 使纤 维 的 蠕 变 效 应 较 大 ， 影 响 织 物 整 体 的 尺 寸 稳 定 性 。
在 化 学 性 质 方 面 ， 由 于 UHMWPE纤 维 具 有 高 结 晶 度 和 取 向 度， 大 分 子 截 面 积 小 ， 所 以 分 子 链 间 排 列 得 很 紧 密 ， 从 而有 效 地 阻 止 了 化 学 试 剂 的 侵 蚀 ， 其 耐 化 学 试 剂 的 能 力 强于 芳 纶 。 水 对 UHMWPE纤 维 的 强 度 几 乎 没 有 影 响 ， 耐 光 性 也极 佳 。
然 而 ， UHMWPE弱 点 之 一 是 其 耐 热 性 低 。 它 的 熔 点 在 150℃ 左右 ， 因 而 在 子 弹 击 中 织 物 并 与 纱 线 、 纤 维 发 生 剧 烈 摩 擦时 产 生 的 热 量 足 可 使 纤 维 熔 融 。 另 外 ， 由 于 UHMWPE纤 维 表面 的 惰 性 、 非 极 性 、 湿 润 性 差 ， 因 此 在 以 UHMWPE为 增 强 纤维 的 复 合 材 料 中 ， 纤 维 与 树 脂 基 体 之 间 的 界 面 粘 结 强 度较 低 。 这 一 缺 陷 的 直 接 后 果 便 是 在 这 种 复 合 材 料 受 层 间剪 切 、 横 向 拉 伸 等 作 用 时 出 现 分 层 现 象 ， 从 而 极 大 地 降低 了 材 料 的 强 度 。
以 上 两 个 弱 点 可 以 说 是 UHMWPE纤 维 所 面 临 的 最 大 挑 战 。 尽管 如 此 ， UHMWPE已 在 防 弹 领 域 成 为 芳 纶 强 劲 的 对 手 ， 打 破了 芳 纶 一 统 天 下 的 局 面 。 美 国 联 合 信 号 公 司 和 荷 兰 DSM公司 不 遗 余 力 地 推 出 新 产 品 。 Spectra 2000已 是 UHMWPE纤 维 的 第三 代 产 品 ， 和 其 “ 前 辈 ” 相 比 ， 这 一 型 号 纤 维 的 细 度 变小 ， 而 强 度 并 未 减 弱 。 Dyneema的 第 四 代 产 品 是 Dyneema SK77，其 强 度 比 SK66高 30%， 以 此 为 原 料 的 无 纬 布 DyneemaUD具 有 超 过声 速 的 能 量 扩 散 速 度 。
其 他 防 弹 复 合 材 料
随 着 武 器 的 发 展 ， 其 杀 伤 力 不 断 增 强 。 单 纯 的 软 体 防 弹衣 对 高 能 子 弹 的 防 护 已 显 得 力 不 从 心 。 一 方 面 ， 为 了 提高 防 弹 能 力 就 必 须 增 加 防 弹 织 物 的 层 数 ， 从 而 使 防 弹 衣的 重 量 增 加 ， 服 用 舒 适 性 下 降 。 另 一 方 ， 在 高 能 子 弹 的冲 击 下 ， 即 使 防 弹 衣 可 以 将 子 弹 挡 住 ， 也 有 可 能 引 起 人体 非 贯 穿 性 损 伤 。 硬 质 防 弹 复 合 材 料 就 是 为 了 解 决 这 些问 题 而 开 发 出 来 的 。
目 前 用 于 防 弹 衣 上 的 硬 质 防 弹 复 合 材 料 大 部 分 是 纤 维 复合 材 料 。 在 材 料 中 ， 纤 维 起 增 强 作 用 ， 承 受 大 部 分 载 荷， 赋 予 复 合 材 料 以 高 强 、 高 模 等 力 学 性 质 。 基 体 通 过 界面 将 载 荷 传 递 给 纤 维 ， 使 载 荷 均 匀 分 布 ， 以 充 分 发 挥 增强 纤 维 优 异 的 力 学 性 能 ， 并 保 护 纤 维 免 受 外 界 损 伤 。
在 用 于 防 弹 衣 的 纤 维 复 合 材 料 中 ， 一 般 以 各 种 固 性 或 热塑 性 树 脂 为 基 体 ， 以 芳 纶 、 UHMWPE纤 维 、 陶 瓷 纤 维 、 玻 璃纤 维 等 为 增 强 材 料 。 用 这 些 复 合 材 料 制 成 的 硬 质 防 弹 板不 仅 可 以 作 为 各 种 车 辆 、 建 筑 物 等 的 固 定 防 弹 装 甲 和 防弹 盾 牌 等 活 动 防 弹 装 甲 ， 还 可 用 作 防 弹 背 心 的 防 弹 插 板， 插 于 防 弹 背 心 的 前 片 和 后 片 ， 以 提 高 这 些 部 位 的 防 弹能 力 。