■文/北京普凡防护科技有限公司 刘凯 孙向玲 王艳

关键字：防刺服 防刺标准 软质防刺材料 高性能纤维

1 引言

近年来，随着经济发展失衡问题愈发严重，世界各地贫富分化加剧，社会矛盾不断激化。尤其是在突如其来的新冠肺炎疫情影响之下，恐怖主义、分裂主义、极端宗教势力活动日渐猖獗，导致部分地区政治局势动荡，暴力冲突频发。2020年6月7日，美国纽约发生一起疑似恐怖主义袭击事件，1 名极端分子手持匕首突袭一名警察并造成其重伤。2020 年12 月7 日，法国巴黎发生暴力示威游行，67 名警员在执勤中受伤，其中重伤人员绝大部分为锐器所伤。

大量事实证明，执法人员在暴力事件中面对的致命威胁有相当大比例是来自刀具、尖锥等锐器伤害而非枪械。因此，目前各国在安全防护装备领域更多聚焦于防刺服的设计及研发。

2 防刺服的机理及标准

与通过材料的断裂和变形消耗侵入物冲击能量的防弹机理不同。防刺机理是由于刺入过程中防刺材料的垂直剪切强度变大，导致刀尖变形加速，从而阻止锐器继续向前行进，进而达到防护目的。

1997 年开始，英国警署科学发展部通过对不同穿刺技术对男性群体所施予的穿刺能量频率进行了研究，在1999年制定了PSDB 防刺服标准。

2000 年，美国国家司法机构（NIJ）和HOSDB（PSDB）合作，制定出了一个新的系统性测试标准：NIJ0115.00。这两个标准的测试方法基本相同，即借助落体以一定的角度和能量刺向置于支撑架的防刺服，测试能否刺入和刺穿深度。

借鉴国外先进经验并立足于本国实际需要，我国于2008 年制定相关防刺服标准，并于2019 年更新为GA 68-2019《警用防刺服》标准。该标准中对防刺服的定义为：能有效防护锐器、利器从不同角度对防护部位的攻击，减少人体防护部位受到刺伤的一种装备。由此可以看出，防刺服防御的威胁对象是指边缘锋利或尖锐器具（如匕首、铁锥、弹簧刀等锐器、利物）的刺入性伤害。

3 防刺服的发展过程

伴随着材料科学的不断进步，防刺服经历了硬质-半硬质-软质三个发展阶段。

3.1 硬质防刺服

早期防刺服的防护层通常采用硬质材料制作而成。作为传统防刺材料，主要为高性能合金。这类防护服的防护思路与古代冷兵器时期的盔甲类似。硬质防刺材料依托其出色的坚硬度，可以通过硬碰硬的方式有效防护穿刺攻击，但劣势也极为明显，其重量和刚性往往造成了穿戴者极大的负重，无法达到可穿着性与防护性的平衡要求。因此，单纯的硬质防刺服已非目前的市场主流，部分产品可能会选用钛合金加工成鱼鳞状防刺层，来实现轻量化便捷性的目的。但此方案一来加工难度大，二来成本过高，只能适合高端小众需求，难以做到大范围市场推广。

3.2 半硬质防刺服

鉴于单纯硬质防刺服的诸多不便，为了减轻防刺服质量、提高产品的舒适性，设计者考虑将金属丝加捻织造或者绕成金属环，端点点焊、互锁、一层或多层与其他柔性防刺材料复合用以增强材料的防刺效果。

但是此类方式面临着加工难度大，成本消耗高的难题，最终难以在市场上得到推广。

3.3 软质防刺服

随着近年来芳纶、超高分子量聚乙烯等高性能纤维的涌现，此类材料已被广泛应用于防刺装备领域。目前，通过不断地技术改良，单纯由高性能纤维制成的防刺服已能满足防护需求，加之此类软质防刺服穿着舒适且价格适中，已经逐渐成为当今市场上的主流产品。

4 高性能纤维在软质防刺服上的应用

软质防刺材料一般由高性能纤维构成。通常应用于防刺领域的高性能纤维指的是具有高强度、高模量、耐高温性的新一代合成纤维，其强度大于17.6cN/dtex，弹性模量在440cN/dtex 以上，主要包括芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维等。

4.1 对位芳纶纤维

芳纶纤维全称为“芳香族聚酰胺纤维”，英文为Aramid fiber，是一种高性能合成纤维。芳纶主要分为两种，对位芳酰胺纤维（PPTA）和间位芳酰胺纤维（PMIA）。其中对位芳纶PPTA 具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能, 纤维实际强度约为22cN/dtex,具有很好的抗张性能，强度是钢丝的 5 ～6 倍 ，模量为钢丝或玻璃纤维的2 ～3 倍，韧性是钢丝的2 倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，同时具有良好的绝缘性、耐高温和抗老化性能。对位芳纶纤维具备易加工成型的特点，所以其适用于作为防刺材料，但其缺陷为耐光性较差。

4.2 超高分子量聚乙烯纤维

超 高 分 子 量 聚 乙 烯 纤 维 (Ultra High Strength——High ModulusPolyethylene，简称UHMWPE 纤维)。其主要性能是与低密度相结合的高强力和高模量，强度比同等截面钢丝高十多倍，比模量仅次于特级碳纤维。其密度是0.97-0.98g/cm3，可浮于水面。作为一种高性能纤维，超高分子量聚乙烯纤维的断裂伸长率相对较低，断裂功大，具有很强的吸收能量的能力，因而具有突出的抗冲击性和抗切割性。该纤维还具有优良的耐疲劳性能和耐摩擦性能。此外，由于其分子链不具有氨基、羟基或者其他活性基团，结晶度高，对于水、酸、碱等介质也很稳定。

由于轻质高效的特点，UHMWPE 纤维非常适用于作为防刺材料。相较于芳纶材料，其优势是相对重量轻、成本略低，劣势为不耐高温、抗老化能力稍弱。

4.3 聚对苯撑苯并二噁唑纤维

聚对苯撑苯并二噁唑纤维(Poly-p-phenylene benzobisoxazole，简称PBO 纤维)。PBO 纤维是一种强大的新型高性能合成纤维，最初是由美国空军材料实验室于上个世纪70 年代作为一种耐高温性能的材料进行开发的。至1998 年10 月，开始商业化生产。

作为目前所有有机纤维中性能最好的一种纤维，PBO纤维的强度为5.8GPa，模量180GPa，强度和模量是对位芳纶纤维的1. 8 倍以上，热分解温度高达650℃，耐热性比对位芳纶高100℃，极限氧指数（LOI）达68，是一种不燃纤维，而其密度为1.54-1.56g/cm3，比碳纤维轻(碳纤维密度1.80-1.87g/cm3)，在现有的化学纤维中最高，耐化学性优良，只溶于浓硫酸、多聚磷酸等少数酸。

PBO 纤维也存在不足。第一，其耐光性极差，甚至劣于芳纶纤维；第二，PBO 纤维表面密实而光滑且呈化学惰性，与复合材料基体间的界面粘结性能很差，极大影响了纤维力学性能的充分发挥；第三，现阶段成本极高，严重制约了PBO 纤维在生产领域中的应用。

5 现阶段软质防刺材料的复合工艺

将高性能纤维织成一定结构的织物并对其进行相应处理后才能获得具有防刺效果的防护材料。目前主要有以下四种加工工艺。

5.1 表面涂覆-粉末涂层织物

芳纶涂层织物是一种新型高科技复合材料织物，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能。在芳纶织物表面施加金刚石或碳化硅粉末涂层， 通过刚性粒子磨蚀刃具，阻止刀刃的切割侵彻，典型项目是日本帝人公司的Twaron SRM。但由于粉末涂层织物制作成本较高，目前市场应用不是很广。

5.2 液体浸渍-剪切增稠（Shear Thickening Fluid，简称STF）

作为一种新型功能材料，STF 是一种处在固液混合状态的纳米粒子溶剂（目前较常见的是由聚乙二醇和硅微粒组成），其在正常状态下是略黏稠的液体。当遭受冲击作用时，黏度会急剧增加，呈现出固体的抗冲击性能。当冲击力消失之后，又迅速回复到原来的柔性状态。这种剪切增稠效应体现的是一种非牛顿流体行为。目前关于STF 在个体防护装备上的应用主要是STF——纤维织物复合材料，即采用STF 悬浮液对芳纶织物进行浸轧处理，挥发多余的溶液后获得的材料。但由于其应用技术现阶段尚不成熟，仍处于实验室阶段。

5.3 树脂复合-芳纶增强树脂基片复合

这类芳纶复合材料通常是将芳纶织物与具有一定强韧性的树脂膜进行复合，或直接以树脂对芳纶织物进行浸胶处理制成片材。但由于芳纶本身结构的特点，使得纤维表面呈现较大的惰性，不利于纤维与树脂黏接，导致芳纶纤维与树脂基体之间形成界面缺陷，限制了其复合材料性能的提高。近年来，对此类情况通常是将芳纶纤维和树脂基体进行改性处理以提高芳纶纤维来增强树脂基复合材料。虽然芳纶用胶黏剂改性处理技术在不断提高，但仍然无法解决芯片面密度大、重量高的矛盾。

5.4 多向铺层-单向层（UD）纤维

复合材料制件最基本的单元是铺层。铺层是复合材料制件中的一层单向带或织物形成的复合材料单向层。由两层或多层同种或不同种材料铺层层合压制而成的复合材料板材称为层合板。

相较于之前的层压单种纤维材料，目前工艺有了进一步提升。通过优选不同成分胶黏剂多层浸胶对位芳纶纤维及UHMWPE 纤维，然后把两种不同材料的单向纱片按不同方向进行叠合后压制成层合板。

此类防刺层合板同时兼顾了对位芳纶纤维与UHMWPE纤维两者的优势。装备此种层合板防护层的防刺服，具有重量轻、舒适度好、防刺性能良好的优点。同时由于工艺相对成熟且原材料普遍，该产品性价比颇高，市场前景广阔。

6 结语

随着社会各界对防刺服认识的不断提高，原有的“越安全越好”的防护理念已逐步被“有限防护，轻便易穿”的理念所代替。美国NIJ0115.00 防刺服标准中也强调了此点：WEARABILlTY + ADEQUATE PROTECTION = LIFE SAVlNG即：耐穿性能+适当的防护=挽救生命。这正突出了防刺服的可穿着性和适当防护的概念。

在未来的发展趋势中，高性能兼具轻量化、柔软化的防刺服必将成为市场主角。在材料科学迅猛发展的今天，相信应用于防刺领域的高性能材料将越来越多，性能也将不断被提升。因此不断更新技术，做出更好更轻的产品来为需要安全防护人员的生命保驾护航，将是每一个防护装备供应商及相关研究机构为之不懈奋斗的目标。