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测试防弹衣中新型纤维的技术

美国国家标准技术研究所的研究者研发出一种新方法,用来测试现代防弹衣中的高性能纤维。该研究发表在《聚合物科学杂志》上,它将有助于增强军队、警察和消防人员对防弹服的信心,也有助于未来新型、轻质防弹衣材料的研发。

40多年以来,高性能聚合物纤维已被用于弹道应用。传统上,将这些纤维一起编织成织物,然后层叠15-20次以制成厚度为约6至13毫米(四分之一到半英寸)厚度的背心。尽管有效地减缓子弹冲击力或阻挡子弹,但用户有时会发现这些背心或衣服上穿的背心会变得沉重和笨重—类似于在炎热的夏季一次穿上15到20件衬衫。许多人希望有一个更舒适的选择。

软体护甲的测试一直是一个很大的问题,因为测试的一种新型纤维——据信优于以前的材料——在2003年意外地失败,导致一名警察死亡。那个事件和其他事件促使2005年召回了一些用新材料制成的背心。

虽然刚生产出来的防弹衣性能良好,但经测试表明,经过几个月的正常磨损之后,防弹衣中纤维的力学性能会开始恶化。其结果是,这种新型防弹衣最终完全撤出市场,同时司法部对制造商提起诉讼。

因此,司法部要求美国国家标准技术研究所协助评估该问题,并找出防弹衣性能恶化的原因。作为国家测试实验室,美国国家标准技术研究所研究人员有责任开发出表征纤维及最终劣化的方法。

美国国家标准技术研究所的材料研究工程师Gale Holmes说,:“在实际应用中的防弹衣不允许失败,但是以前我们无法确定纤维是否会随着人们的穿戴和使用时间增长而发生变化。”

防弹衣及其配件的理想力学性能包括高刚度、高拉伸强度和显着的应变-失效过程以吸收子弹的冲击。Gale Holmes的初步工作表明,防弹衣在使用中,通常会遇到天然的褶皱和折叠,导致这些关键力学性能的显着降低,尤其是在潮湿环境中。

图(A)、(B)、(C)分别为PPTA、PBO和聚对苯二甲酰对苯二胺-对苯二甲酰对苯二胺(PBIA-co-PPTA)材料的化学结构;图(D)为老化弹道纤维布的织物折叠方法示意图;图(E)是用于测量材料的正电子湮没寿命光谱的设置示意图

虽然机械性能降低是不可避免的,但是缺少表征纤维的结构或化学差异的分析技术,而这些差异是导致其性能损失的原因。虽然目前没有任何一种材料,在任何情况下都可以完全防弹,但研究人员也特别希望能够有新方法表征不同材料减缓子弹冲击的能力,尤其是在实际应用中。

美国国家标准技术研究所的Gale Holmes和Christopher Soles选择的表征方法采用了北卡罗来纳州立大学PULSTAR核反应堆的强正电子束设备。

正电子湮没寿命光谱可以观察到分子级的材料结构,已广泛应用于其他行业的材料测试(如多孔膜、半导体和绝缘体)。将正电子注入弹道纤维,研究人员能够在小于5nm的尺度上确定折叠过程中是否产生空隙。

Gale Holmes和Christopher Soles发现,折叠后的空隙数量级是纤维折叠后持续受损非常敏感的指标,也就是说空隙尺寸越多大,纤维受损的可能性越大。以前,该团队就曾怀疑空洞的产生是降低机械性能的主要原因,但是过去使用的小角度X射线散射测量对小于5nm的孔隙往往较不敏感,因此无法确定这一疑问。严重的损害往往发生在更长的尺度上。

Gale Holmes说:“这项发现使得我们能够表征用其他技术看不到的纤维的变化。在研究过程中,我们对此技术的敏感程度感到非常惊讶。”

sole说:“之前,我们没有好的方法来辨别有些材料在折叠测试中破裂,而有些材料却不会破裂的原因。这是第一个可以深入了解为什么某些材料可折叠并仍然保持其性能的表征工具。”

这项研究的结果可能会有利于设计、研发新型防弹衣。也可能有助于微调目前防弹衣中的纤维数量,从而生产出更舒适的防弹衣。


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