世界上最強的纖維-KEVLAR抗刃防火纖維

1、防護功能纖維第八組組員07號王琦茵、08號陳雅亭10號吳欣旎、11號林安俞14號許芳慈、15號蔡雅竹.、八、-刖言過去幾年，人們不得不研製更堅固先進的盔甲來抵禦不斷升級的武器。然 而，儘管有些改進，現(xiàn)代盔甲仍然和古代那些有些相似的缺點。無論是用金屬板 還是纖維層製成，盔甲常常很笨重。有些盔甲很堅硬，所以用作手臂、腿和脖子 處的防護就有些不切實際。所以，中世紀的盔甲都有縫隙和關(guān)節(jié)連接，這樣穿戴 者才能活動。現(xiàn)代的盔甲一般僅能防護頭部和軀幹。幾千年來，盔甲的基本用途 變化不大。首先，它阻止武器或者飛彈接觸身體。其次，它分散武器的能，降低 衝擊造成的傷害。儘管不是任何場合下都有效，但盔甲基本上能保護

2、人們免受嚴 重傷害或者死亡，尤其是來自那些正式武器。而防護功能纖維是指具有阻燃、抗 靜電、防紫外線、防輻射等功能的新型纖維。用這種纖維生產(chǎn)的服裝主要用於特殊工作環(huán)境中的人們穿著，為其探討為何 有特殊材質(zhì)能抵抗外在力量，使得保護人體不受傷害，並且有效運用在保護肌膚 上，深入研究不再像印象中堅硬的印象，而是轉(zhuǎn)變微軟質(zhì)料的防護功能纖維。防 護功能纖維是指具有阻燃、抗靜電、防紫外線、防輻射等功能的新型纖維。用這 種纖維生產(chǎn)的服裝主要用於特殊工作環(huán)境中的人們穿著，為其探討為何有特殊材 質(zhì)能抵抗外在力量，使得保護人體不受傷害?？司S拉KEVLAR?克維拉是杜邦公司註冊的商標(biāo)，由斯蒂芬妮 ？柯歐拉克發(fā)明，學(xué)名

3、是聚對苯 二甲酸苯酯醯胺(poly paraphenylene terephthalam)de它是帶有芳香族的塑膠纖 維(芳香族是指帶有苯環(huán)的有機化合物)，重複單位的化學(xué)式是COC6H4 CONH C6H4 NH，醯胺基團以對位結(jié)構(gòu)接在苯環(huán)上，在同等重量 的條件下，強度是鋼絲的5倍強度，E級玻璃纖維的2.5倍強，鋁的10倍強度， 它可以提供種種不同型式的變化；因它獨一無二的特性，耐高溫，高抗拉，高模 度(硬度)，低延伸率,耐衝擊和耐化學(xué)劑等高性能,從原絲，捻紗(Ripcord),編織 (平織/針織),外加樹脂(coating)或和其他材質(zhì)複合(composite都能提供不同的功KEVLAR?在

4、溫度性能上有很高的穩(wěn)定性，不僅能在負196C (-320 T )到正204°C (400T )的溫度範(fàn)圍內(nèi)連續(xù)使用而不會有很明顯的變化或減損；同時，還具有不溶解，防火性(不助燃)，只會在427C開始碳化，而且即使在負196C的低溫，也 沒有變脆和性能損失的現(xiàn)象。以及能忍受溫度高達538C (1000T )短暫時間接觸的優(yōu)異耐溫性能。KEVLAR?亦可運用來補強許多現(xiàn)今商業(yè)化的高分子材料，並且和玻璃纖維補強 的材料一樣容易加工處理，使用KEVLAR?補強比用玻璃纖維輕30%35%並且 有2.5倍強的鋼性，而KEVLAR?與碳纖維共同補強的複合材料亦具有優(yōu)異的壓 縮強度。特性1. 在很輕

5、的重量提供高抗張,高拉力的功能2. 低延伸率，高模數(shù)，不易斷裂3低導(dǎo)電性4.高抗化學(xué)劑5低熱縮6高抗拉斷力7高穩(wěn)定性8高抗切割9.抗燃性,只會碳化(自動熄火)未來發(fā)展性原先的計畫是想用克維拉來當(dāng)汽車輪胎的材料。但那時候的輪胎都使用鋼絲 做加強材料，如果改換克維拉，輪胎公司就得重新設(shè)計模型，改變所有的生產(chǎn)程 序，不見得劃算。因此輪胎公司並沒有採用克維拉。杜邦公司於1971年成立一個團隊來開發(fā)克維拉的應(yīng)用，結(jié)果找到二百多種用途。一個最著名的應(yīng)用是防彈 背心（bulletproof vests，由幾層的克維拉纖維組成。在引進克維拉之前也有人 用金屬，如鉛、鋼鐵做防彈背心，但克維拉做的防彈背心輕便且效

6、果好，一上市 就大受軍警人員歡迎。一群有心人更成立克維拉存活者俱樂部，統(tǒng)計有多少人因 為穿了克維拉防彈背心而逃過死神的手掌，到2002年已經(jīng)超過5千人?？司S拉可以說是高科技的材料，它耐高溫，強硬度比鋼鐵高5倍，而質(zhì)量比玻璃纖維（fiberglass還輕。它的用途除防彈背心外、還包括保護手套、安全帽、消防隊 用的衣服、汽車剎車墊、輪胎（汽車與腳踏車）、輪船、輕便飛行器、海底電纜、 橋梁等。防彈衣的主要材料一超高分子量聚乙烯纖維超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）工程期限：1985年 2020年超高分子量聚乙烯纖維（簡稱UHMWPE），又叫高強PE纖維，是當(dāng)今世界三 大高科技纖維（碳纖維、芳綸和超

7、高分子量聚乙烯纖維）之一，也是世界上最堅 韌的纖維。其？輕薄如紙、堅硬如鋼？，強度是鋼鐵的15倍，是目前製造防彈衣的主要材料。其分子量在150萬至800萬之間，是普通纖維的數(shù)十倍，這也是 它名字的由來，具有極其優(yōu)異的性能。超高分子量聚乙烯纖雛與其他工程塑料相 比，主要存在耐熱性、剛度和硬度偏低等不足，但可以通過 ？填充？和?交聯(lián)？ 等方法來改善；從耐熱性來看，UHMWPE的熔點（136C）與普通聚乙烯大體相 同，但因其分子量大，熔融粘度高，故加工難度大。超高分子量聚乙烯纖雛與其 他工程塑料相比，主要存在耐熱性、剛度和硬度偏低等不足，但可以通過？填充？ 和?交聯(lián)？等方法來改善；從耐熱性來看，UH

8、MWPE的熔點（136C ）與普通聚乙烯大體相同，但因其分子量大，熔融粘度高，故加工難度大。特性1、結(jié)構(gòu)緻密具有很強的化學(xué)惰性，強酸城溶液及有機溶劑對其強度沒有任何影 響。2、密度只有0.97克/立方釐米，能漂浮水面。3、吸水率很低，在成型加工前一般不必乾燥處理。4、 具有極好的耐氣候老化性，抗紫外線，經(jīng)過日曬1500小時後，纖維強度保持 率仍然高達80%。5、對放射線具有優(yōu)良的遮蔽效果，故可用作核電站的遮蔽板。6、耐低溫，在液氦溫度（-269C ）下仍具有延展性，而芳綸纖維到-30C便失去 防彈效能；在液氮中（-195C）也能保持優(yōu)異的衝擊強度，這一特性是其他塑膠 所沒有的，因而能夠用作核工

9、業(yè)的耐低溫部件。7、超高分子量聚乙烯纖雛的耐磨耐彎曲性能、張力疲勞性能也是現(xiàn)有高性能纖 維中最強的，具有突出的抗衝擊和抗切割韌性。一根只有頭髮四分之一粗的超高 分子量聚乙烯纖維，用剪刀都難以剪斷。加工完成的紡織物必須用特殊機器才能 切割。& UHMWPE還具有優(yōu)良的電氣絕緣性能。9、衛(wèi)生無毒，可用於接觸食品和藥物。發(fā)展性該纖維已經(jīng)廣泛應(yīng)用於武器研發(fā)、航空航太、航海、電子、兵器、造船、建 材、體育、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。因此高性能纖維的發(fā)展是一個國家綜合實力的體現(xiàn)， 也是建設(shè)現(xiàn)代化強國的重要物資基礎(chǔ)。概況目前超高分子量聚乙烯纖在世界範(fàn)圍內(nèi)屬於稀缺物資，全世界年需求量約5萬噸，其中美國占70%。

10、但具備生產(chǎn)能力的僅有荷蘭帝斯曼公司（DSM）、美國 霍尼韋爾公司（Honeywell）日本東洋紡公司（Toyobo）、日本三井石化公司，和 中國的數(shù)家公司。全世界產(chǎn)量總和僅有 10000噸左右。據(jù)專家預(yù)測，未來10年 內(nèi)超高分子量聚乙烯纖維每年的市場年需求量將在10萬噸以上，市場潛力巨大。儘管荷蘭帝斯曼公司、美國霍尼韋爾公司和日本三井公司近幾年多次增建擴產(chǎn)，產(chǎn)量以每年8%以上的速度遞增，但仍不能滿足市場需求江蘇中益超高分子量聚乙烯碳納米管複合纖維ZY-102大力馬（Dyneema ）纖維：在1979年，荷蘭的皇家DSM公司研發(fā)出超強纖維Dyn eema , Dyneema 是超高分子量聚乙烯纖

11、維（Ultra high molecular weight polyethyle ne ）， 一般的聚乙烯材料其平均分子量為2到30萬之間， 而超高分子量聚乙烯纖維其分子量則高達2至6百萬，其單位質(zhì)量的 抗張強度約為鋼鐵的十五倍。其強韌的原理是因它是一種單向複合材 料，由數(shù)層Dyneema纖維層構(gòu)成，每層纖維的方向均與相鄰層中的纖 維相垂直。這種單向結(jié)構(gòu)使其能將受子彈或其他武器衝擊的能量，可 更快和更高效率地沿著纖維分散開來。特性1優(yōu)越的機械剛度和韌度、抗極端溫度和濕度性能2.用於船舶防護的較好的水中浮動性。3目前市場上最輕質(zhì)的材料4.可為抵禦包括衝擊步槍和爆炸裝置在內(nèi)的彈藥威脅提供強大的防

12、護。5與Kevlar材料相比其重量大幅度減輕且具有較優(yōu)的抗水與耐紫外線 性。發(fā)展性大力馬（DYNEEMA）在所謂的高性能纖維中，截至目前為止，依然是最輕、最強的超高拉力高彈性纖維，優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，加上拔群 的抗紫外線能力，同時兼具耐化學(xué)浸蝕的安定性，是人類科技最先進 的素材，全球唯有美、日、荷製造生產(chǎn)，目前最常見於繩索、釣魚線。與其它纖維之比較輕韌無比與一般布線、碳纖線、玻 纖、鋼絲比較大力馬既輕又強韌，同樣直 徑的細線材，自高空垂吊直 到材料本身的重量拉斷測 試用的線材時，大力馬之長 度足足有鋼絲之八倍。在深 海垂釣時，此一輕韌之特 性，亦讓電動捲線器負荷減 至最低。大力馬繩新式防彈衣液體防

13、彈衣新式防彈衣的液體防彈衣液體防彈衣採用美國陸軍研究實驗室和特拉華州 立大學(xué)合成物質(zhì)研究中心的科學(xué)家用新型奈米科技研製出來的剪切增稠液體 (STF)，平時穿在身上就像普通衣服一樣，但在被子彈或炮彈碎片擊中的瞬間就 能變成堅硬的防護物。美英陸軍希望儘早在投入使用的新作戰(zhàn)服中加入這種液體 防護材料，以抵禦反美武裝的路邊炸彈”剪切增稠液體能使織物變得無比強 韌，可以抵禦尖釘、刺刀和子彈的襲擊，同時又不改變織物的重量、舒適度和彈 性。目前一種採用STF材料的防護衣已經(jīng)過試驗，能夠防止炸彈碎片和低速子 彈。液體防護衣分散了子彈產(chǎn)生的衝擊力製作液體 凱芙拉防彈衣也非常容易， 只需將這種液體浸透到凱芙拉所有

14、材質(zhì)層即可。凱芙拉防彈衣原有的纖維既可以固化STF，也可以提供額外的防護。含有 STF的防彈衣與傳統(tǒng)凱芙拉 防彈衣一樣可以用水浸泡、摺疊或縫製。魏特茲爾博士透露，液體防彈衣的首要 特點就是更為靈活輕巧，不會影響機動中單兵的任何戰(zhàn)術(shù)動作。這種最新防彈材料目前尚在實驗室研究後期階段，最新問世的一批產(chǎn)品首先 用於製作士兵的防彈袖套和褲子。除此之外，輕質(zhì)液體防彈衣還可成為運送彈藥 的箱具、防爆器材的理想製作材料。而且，它也可以用於一些特殊用途，如傘兵 的跳傘靴，如果靴底用STF浸泡過，就能增強跳傘觸地時的減震性能。優(yōu)點1. 利用剪切增稠液體處理升級的新型防彈衣柔軟堅韌，可以製造連袖子帶褲腿 的全套衣服

15、，保護軍人的任何部位，無論人的身體如何彎曲防彈衣的防護性 能都不會受損。至可以用在傘兵靴上，這種靴子在碰撞時可以變硬，從而保 護傘兵的腳踝。2. 該技術(shù)利用STF抗剪稠密液體(當(dāng)受到外壓時，分子會緊緊結(jié)合在一起)和凱芙 拉縴維等增強材料。現(xiàn)在的軍用防彈衣非常厚重，限制了士兵的靈敏性，這會給 阿富汗等戰(zhàn)爭地區(qū)帶來很大不便。3. 這種新型液體防彈衣需要的材料更少，這意味著防彈衣會更薄、更輕，因此可 以用它包裹更大範(fàn)圍的身體，而且士兵的靈活性不會受到太大幹擾。4. 該技術(shù)與傳統(tǒng)的凱芙拉縴維防彈衣結(jié)合，會增強士兵作戰(zhàn)的靈活性，並使防彈 衣的厚度減少多達45%。測試過程中，科學(xué)家以每秒300多米的速度向

16、兩種材料 發(fā)射滾珠一一一種是31層厚的未經(jīng)處理的凱芙拉縴維，另一種是10層凱芙拉縴 維與抗剪稠密液體的結(jié)合物。佩尼說與這種液體結(jié)合的凱芙拉縴維的反應(yīng)更快， 而且撞擊點的深度更淺一些。傳統(tǒng)防彈衣是用很多層常規(guī)的凱芙拉縴維製成，非 常厚重，會對士兵的行動產(chǎn)生干擾，使他們更易疲勞。5. 液體防護衣里的液體與凱芙拉縴維結(jié)合后，它會對滾珠的運動產(chǎn)生干擾，分散 了物體表面受到的衝擊力。專家希望這項研究成果也可以應(yīng)用到其他的防護用品 上。原理剪切增稠液體？其實是一種處在固液混合狀態(tài)的奈米粒子溶劑，很少存在於 同一種物質(zhì)中。利用它製造的防護服通常被叫做 ？液體裝甲?，?剪切增稠液 體?滲入織物中，通常狀態(tài)下是

17、以液態(tài)形式存在，但是，織物一旦受到衝擊、壓 緊，？剪切增稠液體？就變成堅硬的固體，使織物更強韌，難以被穿透。因此，利用？剪切增稠液體？製造的新型防彈衣，平時柔軟舒適，一旦遭到刀等 利物砍、刺，或高速子彈、彈片衝擊，就在受到衝擊的瞬間變得堅韌無比，而且 能將衝擊力沿織物迅速分散開來，大大降低單位面積的壓強。當(dāng)衝擊力消失之 後，？剪切增稠液體？又恢復(fù)液體狀態(tài)，織物也重新變軟。不受衝擊：粒子互不干擾呈液態(tài)，當(dāng)運動緩慢時，硬質(zhì)粒子能夠到處運動，因此剪切增稠液體呈 現(xiàn)液態(tài)，但當(dāng)運動迅速的時候，硬質(zhì)粒子互相碰撞，阻礙了彼此的運動，因此剪 切增稠液體變得強韌。當(dāng)抗剪稠密液體受到衝擊時，組成這種材料的分子的結(jié)

18、合方式，跟奶蛋糊類似。 用湯匙攪動奶蛋糊的例子，是這項技術(shù)的最好解釋。湯匙攪奶蛋糊時，會感覺湯 匙受到了阻力。當(dāng)液體防護衣里的液體成分結(jié)合在一起時，你會感到明顯的阻 力。你攪拌的越快，奶蛋糊變得就越硬，因此當(dāng)子彈高速撞上該材料時，它會迅 速變硬，吸收撞擊產(chǎn)生的衝擊力。英國科學(xué)家利用被戲稱為防彈奶蛋糊的物質(zhì)，已經(jīng)製成一種液體防護衣，這 種防護衣在受壓後會自動變硬，吸收撞擊在它表面的彈片產(chǎn)生的衝擊力。研究人 員把他們推導(dǎo)出來的一個秘密化學(xué)公式與傳統(tǒng)的凱芙拉縴維結(jié)合，製成這種超級護甲。當(dāng)這種衣物的粘性物質(zhì)與傳統(tǒng)的凱芙拉縴維粘貼在一起，可以吸收子 彈產(chǎn)生的衝擊力，並通過變稠，對撞擊做出反應(yīng)。他們希望利

19、用這種物質(zhì)，為前 線的士兵製作更輕、韌性更好和更有效的防護背心。專家之所以會將這種液體稱 作防彈奶蛋糊，是因為它的分子的結(jié)合方式和變稠方式，跟攪拌中的甜 點奶蛋糊一樣。發(fā)展性剪切增稠液體的用途非常廣泛，可以用於製造防護服、汽車裝甲、頭盔和手 套，不但能夠為軍人和警察提供保護，也能為其他危險行業(yè)人員，如礦工、建築 工人等提供更舒適的工作服。這種新型材料還可以被製成防爆毯，覆蓋在可疑包 裹或未爆炸的軍火上，甚至可以用在傘兵靴上。這種靴子在碰撞時可以變硬，從 而保護傘兵的腳踝?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用於軍隊、公安等特殊行業(yè)。 實現(xiàn)防彈、防刺、減震等功能。 該材料除了用於國防軍工，還可在更廣泛的領(lǐng)域投入應(yīng)用，包括

20、防護裝備、塑形 緩衝、減震器、高速列車、生產(chǎn)機床、體育器材等。 剪切增稠液體粒子處于平窗狀態(tài)新式防彈衣液體防彈衣樣式實驗狀況E* 1 耶 * <* Bl*W*|«*匚:去neat Kevlac fronta 一-L-p-I '" 1STF-Kevlarn IFrorrt' .W- r- Aneat KevlarM rrarSTFKevlar, rearPhotos of neci Kevlaf and STF- Kevlar largels ufter qua&islatic knife telling. *T社f*j-廠Lij itat Kevlar, fromlSTF-Kevlar, frontneat Kevla>rr r«rSTF-Mevlor!, rearPhotos of neat Kevlar and STF-Kevlar targets after quasistvtk