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材料防弹衣(防弹衣从丝绸到聚合物)新材料防弹衣的迭代历史：从丝绸到聚合物化纤

出品：科普中国

* * *:章昊(全日制大学精英联盟)

监制：中国科学院计算机信息中心

在很多影视作品中，经常会有这样一个桥段：反派人物被近距离射杀后，依然起身抖抖身上的灰尘，说自己居然穿了防弹衣(其实是防弹衣)。这个情节可信吗？穿防弹衣能抵挡子弹的冲击吗？

防弹衣从诞生开始就一直在更新迭代。从早期的丝绸防弹衣到现在的聚合物防弹衣，阻挡子弹和缓冲动能的初衷一直没有改变。但是防弹衣的防护能力几十年来突飞猛进，防弹衣的进化史也是一部材料科技史。

00-1010说到防弹衣，就不得不提‘防弹牧师’卡西米尔齐格林。提出了‘密织防弹衣’的概念，直到今天仍然是防弹衣的设计方向。

波兰工程师齐格林1869年出生于乌克兰，早年经历了许多波折。齐格林18岁成为牧师。三年后，他去了美国继续他的宗教活动。在他宗教生涯的巅峰时期，齐格林在芝加哥的一个波兰天主教堂担任牧师，会众有4万人，是当时美国规模较大的波兰教堂。

1893年，一件大事改变了齐格林的生活。3354年，芝加哥市长卡特哈里森遇刺身亡。从那以后，齐格林决心研发“可以保护世界的神圣装备”。——是一种新型防弹背心，重量轻，可以挡手* * *。

在尝试了棉布、钢屑、头发等一系列材料后，他最终决定用丝绸作为突破口。

恐怕我们对丝绸的印象大多是薄如蝉翼，温润如玉。但实际上，蚕丝纤维具有极高的强度，丝织物弹性极佳，瞬间变形时比其他天然纤维织物更坚韧。接下来的问题是如何将蚕丝纤维结合成一个有机的整体。为了找到合适的织造* * *，齐格袁林漂洋过海，最终在奥地利维也纳和德国亚琛的丝织厂开发出符合预期的丝绸面料。

戚凌的防弹材料是一种四层厚的丝绸面料，厚约3mm(另一面嵌有1.6mm厚的钢板)，每0.1m2重约250g，经过复杂的编织，这种材料变得异常厚实致密，在相当近的距离* * *，就能成功挡住当时的手。

实验成功后，齐格林在全美各地多次现场展示了他的新型防弹衣的威力，从此名扬全美，甚至整个西方世界。

在齐格林展示防弹衣在公共场所的防护效果，来源：公共领域。

齐格林从教会辞职，投身于新型防弹衣的研发和推广。然而，他之后的创业之路充满艰辛。

起初美国军方希望引进他的技术，但发现按照齐格林的编织* * *，真丝防弹衣更大的问题是成本。每件防弹衣都要消耗大量的丝绸，产品最初的单价达到800美元(约合今天的9万人民币)，这也是财大气粗的美军无法大量装备的。于是，齐格林想到了直接向当时的美国总统——威廉麦金利求助。

几经周折，白宫终于同意安排他会见总统。然而，由于麦金莱总统正在进行为期六周的全国巡回演讲，齐格林只能等一会儿。悲剧发生在两周后。1901年9月6日，麦金莱总统在布法罗的泛美博览会上被暗杀。凶手近距离朝他腹部开了两枪，导致总统入院急救。他因伤势过重于9月13日去世。事实上，凶手使用的左轮手枪相当脆弱。如果总统穿了齐格林的防弹衣，他可能已经逃脱了。

总统的意外遇刺粉碎了齐格林获得高层援助的希望。十多年来，齐格林和他的合伙人一直在向西方权贵出售他们的产品

1914年6月28日，身穿齐格林防弹衣的斐迪南大公在萨拉热窝遇刺身亡(有人说大公虽然也有同样的防弹衣，但事发时并没有穿)。凶手没有攻击防弹背心的遮盖部分，而是直接向大公的脖子开枪，最终导致大公和他的妻子当场死亡。大家可能后来都知道了，斐迪南大公遇刺直接导致了第一次世界大战的爆发。

萨拉热窝和拉丁桥的想象，来源：公共领域。

就绿色而言，这是一个潜在的成名机会。

这将成为后代的话题。齐格林在他生命的最后，很可能是因为太穷了，以至于他去世的确切年份有很多说法。

但是，作为现代防弹衣技术的奠基人之一，齐格林还是在历史上留下了自己的名字。回顾他略显失败的创业经历，除了运气差一点外，真丝防弹衣的产品力本身确实存在问题，高昂的成本也注定了它无法普及。

对于钢铁和金属防弹衣，一战爆发后，为了减少前线的战损，各国都尝试了不同的防弹衣。但由于当时材料的技术水平，这些防弹衣都是以金属为主。相比于古代的连体战甲，它们几乎没有什么创新，完全可以用‘傻大黑粗’来形容。

为了在一定距离上抵御步枪甚至机* * *的攻击，它们的重量都在10 kg以上甚至更多，极大地限制了佩戴者的机动性。当时在战场上，几乎只有飞机、医护兵、飞行员等不需要太大机动的人才能使用。

二战中，材料技术的发展大大减轻了防弹衣的重量，一些经过特殊工艺处理的钢种只需要2mm的厚度就能起到显著的防弹作用。在同等防护强度下，二战时期的金属防弹衣不到一战时的三分之一重，但4公斤以上的重量对于强调机动性的野战兵种来说还是太重了，迫切需要实现防弹衣的轻量化和高性能化。

左：一战德军单兵装甲(龙虾装甲)右：二战苏联SN-42单兵装甲，来源：公共领域

尽管当时的人们清楚地知道类似于齐格林方案的密织防弹背心是未来的发展方向，但无论是丝绸、棉布还是二战后开始兴起的尼龙防弹材料，都无法在与当代火器的较量中占据上风。毕竟盾在升级迭代的同时，矛也越来越好。

二战后期，新式火炮普遍采用了更高效的推进剂、更多变的战斗部和弹丸材料、更现代的弹道控制技术等手段来增强弹药的威力。防弹衣在这种‘矛盾的攻防’中节节败退，直到20世纪60年代末‘凯夫拉’的诞生，这种局面才得以扭转。

凯夫拉尔诞生了，实用的轻型防弹衣来到了面前。凯芙拉是一种合成纤维，学名为‘聚对苯二甲酰对苯二胺’，俗名为芳纶。1965年由杜邦公司首次研制成功。

凯夫拉尔的抗拉强度大约是同质量钢材的五倍。理论上，它只需要几分之一的重量就可以达到钢板类似的防护性能。凯芙拉的强度和韧性与其结构密切相关。聚合物单体首先形成重复的直链结构，链之间通过氢键力有效连接，从而进一步加强了整个结构的力学性能。

当弹头受到攻击时，几层紧密编织的凯夫拉纤维织物可以使弹头向前运动时动能急剧衰减。弹头通常嵌在防弹层中，弹头撞击产生的能量会通过纤维和织物迅速分散。金属防弹衣中子弹散射造成二次伤害的问题得到了很好的抑制。

此外，它还具有阻燃和自熄特性。凯夫拉不会像很多高分子聚合物一样受热熔化，而是直接碳化，不会因为防护服在肆虐的战场上熔化而造成额外的灼伤。凯芙拉作为一种化学纤维，价格相对低廉，易于加工，人们终于找到了一种理想的防弹衣材料。

凯芙拉分子式和凯芙拉纤维物理图，由cjp42

不过，凯夫拉的出现虽然为防弹衣一方赢回了一城，但也绝非完美。凯夫拉对水非常敏感，浸泡后强度大大降低，实战中不能穿凯夫拉防弹衣涉水。虽然后期开发了一系列防水处理工艺，使得应对中等雨量成为可能，但随之而来的后果是透气性完全牺牲，穿着舒适性相当差。此外，凯芙拉对紫外线也很敏感，这大大限制了它们的使用寿命。凯夫拉防弹衣的有效使用寿命往往在3-5年左右。

在凯夫拉纤维出现的同时，人们相继开发了一系列高分子聚合物人造纤维。其中包括与Kevlar结构相似的Tevalen、以Dinima和Spectra为代表的超高分子量聚乙烯(UHPE)等。普通聚乙烯的分子量只有几十万，而UHPE的分子量可以达到近千万。UHPE材料的抗冲击性和耐磨性超过凯芙拉，不会因为吸水而变质，可以浮在水面上。但缺点是UHPE材料在135度左右的环境中会融化。

UHPE结构示意图和使用UHPE的雪地车滑板***，来源：公共领域

各种聚合物纤维的出现为防弹衣材料的选择增加了很多灵活性。到了上个世纪末，以凯夫拉尔为代表材料的高分子防弹衣，已经可以在比较近的距离上抵挡大部分现代人手的连续射击(前提是弹着点需要有一定的距离)。而且与笨重的前辈相比，聚合物防弹衣在便携性和舒适性上都有了革命性的提升。

如何挖掘后凯夫拉尔时代防弹材料的潜力？但是，防弹衣的技术升级，还远没有到发号施令、知难而退的时候。首先，仅仅依靠Kevlar等聚合物是无法在比较近的距离内有效抵抗step * * *的。步枪子弹比手* * *，子弹更长，装药量更大，初速和动能更大。同时，借助长枪管带来的弹道稳定性，弹头可以加工成更锋利的形状，大大增加了突防性能。

此外，上世纪八九十年代，受苏联向中东大规模出口军械和苏联解体后东欧局势动荡的影响，一些俄制手枪和相应的大药量手枪逐渐流入世界各地犯罪分子手中。这种手* * *威力巨大，可以轻易穿透各国警察普遍配备的轻型防弹衣。美国俚语甚至直接称这种子弹为“警察黑仔”。

于是，从20世纪90年代开始，西方国家推出了新一代防御更强的防弹衣。这些产品大多通过在传统聚合物防弹衣外层设置硬质防护板来增强防护能力。这种硬质保护板的材料多为陶瓷、金属和高压热成型聚合物等。其具有非常高的抗穿透性。

美国海军陆战队展示被击中(未被穿透)的防弹衣后护板。来源：公共领域

陶瓷防护板不仅比金属轻，而且硬度更高，使其在与弹头碰撞时使弹头产生更强烈的变形，从而降低其动能。但陶瓷天生易碎，一旦受到散弹枪等子弹点多的武器攻击，很可能因为应力集中而瞬间断裂。

金属防护板主要由钢、钛合金甚至高强度铝合金制成。它的优点是金属天然的高塑性可以避免像陶瓷一样的脆性断裂，同时也赋予了其更高的抗连续冲击能力。然而，由于相对较低的硬度与陶瓷的比率，抵抗p

穿着防弹衣的美国军犬，来源：公共领域

高分子防护板可分为热压型和纤维编织型。它具有轻便、吸能性好、易成型、比强度高等优点。虽然防护板牺牲了一些机动性，但它赋予了防弹衣抵抗一些步枪穿甲弹近距离射击的能力。这是目前防弹衣防护能力的上限。

NIJ规格

未来的防弹衣会是什么样子？未来的防弹衣会用什么样的材料制成？目前，许多新技术和新材料，如蜘蛛丝纤维、石墨烯和剪切流变材料，正在实验室中涌现。考虑到成本和综合性能，高分子化学纤维仍然是防弹材料的首选。毕竟，上述材料在比强度和局部能量吸收特性方面可能具有突出的实验价值，但要实现大规模生产还有很长的路要走。

考虑到单纯增加弹药容量和枪支尺寸会损害枪支的机动性，不太实际，子弹威力的增强几乎到了瓶颈。如今子弹和防弹衣的对决，似乎暂时旗鼓相当。在选定的测试条件下，防弹衣已经能够很好的抵御相应级别子弹的攻击。

军用防弹衣(左)和警用防弹衣(右)，来源：公共领域

但是，人类的科技发展是没有止境的。下一代便携式高动能武器和激光武器很可能会让今天的防弹衣技术回归到原来的社会水平。到时候防弹衣技术会如何升级？

矛盾还会继续。然而，我们最想要的是一个这些保护措施都无法使用的世界。

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中国防弹衣的进化史

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