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防弹材料应用

70年代初，一种具有超高强度、超高模量、耐高温的合成纤维——凯夫拉(Kevlar)由美国杜邦(DuPont)公司研制成功，并很快在防弹领域得到了应用。

1.凯夫拉(Kevlar)

这种高性能纤维的出现使柔软的纺织物防弹衣性能大为提高，同时也在很大程度上改善了防弹衣的舒适性。美军率先使用Kevlar制作防弹衣，并研制了轻重两种型号。新防弹衣以Kevlar纤维织物为主体材料，以防弹尼龙布作封套。其中轻型防弹衣由6层Kevlar织物构成，中号重量为3.83千克。相比尼龙和玻璃纤维防弹衣，重量减轻50%；在单位面积质量相同的情况下，其防护力至少可增加1倍，并且具有很好的柔韧性。

2.超高分子量聚乙烯纤维UHMWPE

超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）是由相对分子质量在100万到500万的聚乙烯纺成的纤维，是目前世界上强度最高与比重最轻的纤维，其强度比钢丝高15倍，但是很轻，最多可比芳纶等材料轻40%。

在国防军需装备方面，由于该纤维的耐冲击性能好，比能量吸收大，在军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料，如直升飞机、坦克和舰船的装甲防护板、雷达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣、防刺衣、盾牌、降落伞等，其中以防弹衣的应用最为引人注目。

它具有轻柔的优点，现已成为占领美国防弹背心市场的主要纤维。另外超高分子量聚乙烯纤维复合材料的比弹击载荷值U/p是钢的10倍，是玻璃纤维和芳纶的2倍多。国外用该纤维增强的树脂复合材料制成的防弹、防暴头盔已成为钢盔和芳纶增强的复合材料头盔的替代品。

超高分子聚乙烯

超高分子聚乙烯防弹衣

3.液体防弹材料

液体防弹材料(TBS)的主要成分是一种特制“剪切增稠液体(STF)”，这种液体一般由分散粒子SiO2和有机物分散介质乙烯基乙醇、聚乙二醇、局丙二醇或者矿物油等一种或几种的混合物组成。“剪切增稠液”中自由悬浮着粒子，当液体因为剧烈冲击而被搅乱时，其中的特殊粒子相互碰撞，形成了对这种搅动的抵抗力。

当搅动力足够大时，这些粒子其实就已被相互“锁定”。当子弹高速撞击这种材料时，“剪切增稠液”防弹衣就会吸引撞击能量，并迅速变得极其坚硬，从而吸收子弹的冲击能量。

液体防弹材料

剪切增稠液体

4、碳纳米管

碳纳米管是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一，有着极高的拉伸强度和断裂伸长率。其密度只有钢铁的六分之一到四分之一，单位质量上的拉伸强度，却是钢铁的276倍，弹性模量参数，碳纳米管比凯夫拉强2.4倍，综合性能远远超过目前人类发现和制造的其他任何材料。

防弹效果上主要是体现在弹性模量上，也就是说碳纳米管纤维盔具或防弹衣比凯夫拉的抗击强度最起码高2.4倍。

此防弹衣是由纳米技术制得的碳纳米管构成，最初是为在伊拉克的美军第19部队特种兵而设计开发的，专利材料更薄、更柔软，重量只有传统防弹衣使用的凯夫拉的一半，而且还可以防刺伤，通过碳纳米管硬化影响防止刀具穿透。

碳纳米管防弹衣

碳纳米管纤维

5.石墨烯

石墨烯作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。石墨烯制成的防弹衣拥有2倍于现有防弹衣技术（凯夫拉）的防护能力。虽然目前石墨烯依然不能单独制成强有力的材料，但是能多层复合到结构材料中，这样就能制止其受弹击后向外碎裂的过程。钢盔和芳纶增强的复合材料头盔的替代品。

石墨烯防弹材料可广泛应用于武装直升机防护装甲、防弹衣、轻型防护装甲、防爆装备等军工产品中，在民用防弹材料市场及军用防弹材料市场均具有广阔的市场前景。钢盔和芳纶增强的复合材料头盔的替代品。

石墨烯遇到子弹冲击时的状态模型