北京市育才学校 100050
摘要：防刺服是保护人体免受刀刺伤害的重要防护装备，材料和结构是影响防刺服防刺性能的因素。目前防刺服的研发存在制造工艺、材料与结构设计选择相对匮乏的问题，因此制成的服装重量大、灵活性差，穿着效率底下。本文基于影响防刺服性能的材料因素，选取三种典型材料PA6、PA11和PA12，制成一定规格的平板，在不同能量下对不同厚度的平板进行穿刺实验，得出不同材料平板在不同能量下的临界厚度，找出随着能量递增不同材料基板厚度的变化规律，比较不同材料性能的优缺点，找出适合作为防刺服的材料。
关键词：防刺；刀刺响应；PA6/11/12；
1.引言
防刺服称为人体装甲，主要是保护人体免受匕首刺刀等锐器的伤害。最早的防刺服装始于California的冰凿试验。近年来，一些国际性的暴力和恐怖事件的发生，2017年8月12日，美国弗吉尼亚州夏洛茨维尔大规模集会期间发生暴力事件，导致1人死亡、数十人受伤。（新华网 2017-08-13 ）纽约市五区2016年一月到二月的两个月时间，发生至少600起公共场合用刀刺人及割人案件，与华人聚集区曼哈坦华埠比邻的切尔西市场，28日凌晨又有锐器割伤他人案件发生。因此防刺服的研发引起了很大的关注，尤其是在枪支管制的国家，防刺服为警察执行公务多了一份保障。（人民网 2015-01-09）
几个世纪以来，科学家和设计者们从自然界生物体的自我保护机制中寻求灵感，尝试研发人体防护装备。关于防刺材料的研究，国内的研究机构主要集中于江南大学、东华大学、天津工业大学、哈尔滨工业大学等高校。东华大学王新厚老师课题组开发了一种防刺材料，他们采用了普通的涤纶布与环氧树脂复合，以机织布与非织造布交错铺层作为基布，利用网板成型工艺制得了满足GA68-2008标准的防刺材料。以该材料制作的防刺服重量约为2.1kg。重要的是该防刺材料并没有采用价格高昂的高性能纤维布，而是采用了普通的涤纶布作为基布，显著降低了防刺材料的生产成本。常见的塑性材料防刺的效果究竟如何？
2.目的
本次通过试验常见三种尼龙材料来判断尼龙的防刺性能好坏，并选择最优的材料成衣。
3.实验材料及方法
本次试验研究选取了PA6/11/12三种材料作为测试防刺性能的基本材料。PA6，聚酰胺6（尼龙6），半透明或不透明乳白色结晶形聚合物，具有良好的热塑性、轻质、韧性好、耐化学品和耐久性好。PA11，聚酰胺11（尼龙11）具有质量轻、耐腐蚀、不易疲劳开裂、密封性好、阻力小等特点，PA12，聚酰胺12（尼龙12），它的特性和PA11相似，但晶体结构不同。PA12是很好的电气绝缘体并且和其它聚酰胺一样不会因潮湿影响绝缘性能。它有很好的抗冲击性机化学稳定性。三种材料的不同力学性能参数见下表
在厂家购买的三种材料的平板规格为60mm*60mm，厚度分别为2.5mm-8.0mm，厚度梯度为0.5mm，这些方形平板是通过挤出工艺形成的。
做实验时，首先要给基板标号以便日后查找，然后测量基板质量和厚度，需要使用电子秤和游标卡尺，并记录数据。再把冲击试验机调到合适高度，并安装刀具及配重，将基板放在刀尖正下方的背衬上，启动仪器刀具落下刺入基板。拔出刀具并测量相应的对应厚度。
4.测试仪器及标准
早在1997-1999年间，英国PSDB就立项对使用几种不同的穿刺技术对男性群体所能施与的穿刺能量的频率分布进行了研究。目前国外最具权威性的防刺衣防刺性能的测试标准就是英国在1999年制定的PSDB 和美国NJI2000年9月制定的NIJ standard-0115.00.2000.。后者是在NIJ和PSDB合作研究的基础上制定出来的一个最新的系统性的测试标准，这两个标准的测试方法基本相同，主要是借助于落体以一定的角度和能量撞击置于支撑材料上的防刺衣，测量是否能刺穿及刺穿深度。这两个标准的主要区别就是NIJ对于防刺衣和刀具的划分更为详细。
在我国，依据公安部颁布的《警用防刺服》（GA68-2008）标准设计制造了防刺实验平台，包括利用测试刀具加落锤组成2.4kg冲击部件，并通过调节冲击部件高度，使刀尖与材料间距1m，以自由落体方式冲击试样，从而达到24J的能量。GA68-2008标准要求测试刀具须具备24J能量刺入防刺服，以刀具未穿透防刺服视为满足防护性能要求。
测试使用冲击试验机型号为FCJL-24，刀具材料为9Cr18Mo，硬度在50-55HRC之间。测试样品下放至背衬材料，由3种材料组成，由上至下分别为氯丁橡胶海绵、聚乙烯薄膜及天然橡胶，背衬的存在为了更好的模拟防刺服的实际使用情况。实验中使用的器具及材料均从承德式科承试验机有限公司制造。在试样没有被刺碎的情况下，所有试样均进行三次实验。
5.实验及结果分析
根据W=mgh，通过改变重锤的高度，满足重锤下落到平板表面的能量在16J-36J。不同能量对应不同的高度，其中g取10.
对任何一种能量下寻找其基板可抵抗住的临界厚度，均需要重复实验，即先选择一块可能厚度的基板，如果该厚度下无法抵抗住特定能量，即第一刀就被刺穿，应立即换一块厚度比前一块板更厚的基板进行穿刺，直到不刺穿，那么所选基板厚度为该能量下能抵挡住的临界厚度。对于第一刀不被刺穿的基板，应在该基板的不同位置上补测两刀，来进一步观察基板是否被刺穿。同时测量刀尖的浸入深度和刀尖的穿刺长度来进一步合理评估该能量下的临界厚度。通常把刀尖的浸入深度作为临界厚度的下偏差值，把穿刺的最小长度加基板厚度作为上偏差值。
用同样的方法，对PA11/12的基板在16J-36J下找出其临界厚度，如下表3所示
图4PA6/11/12不同能量基板厚度变化规律图
试验结果表明，尼龙6材质的平板型防刺基板能抵御24J刀具撞击的最小厚度为5.54mm，当厚度在5.54mm以下时，均不能通过测试。尼龙11材质的平板型防刺基板能抵御24J刀具撞击的最小厚度为5.54mm，当厚度在5.54mm以下时，均不能通过测试。尼龙12材质的平板型防刺基板能抵御24J刀具撞击的最小厚度为5.30mm，当厚度在5.30mm以下时，均不能通过测试。在24J的穿刺能量下，PA6和PA11的临界厚度相等，说明两种材料性能相似，在实际中如果要运用的话，优先考虑使用密度较小的PA11。PA12的厚度在24J能量下要小于PA6和PA11,但密度要大于PA11，所以要根据做出成品衣服的质量来选择究竟该有PA11还是PA12。
由图3可知中在16J-20J范围内，基板的厚度递增变化不明显，在32J-36J范围内，基板的厚度递增变化也不明显。以PA6的图形为例。首先对于16J、18J、20J的穿刺能量下，由于能量差距不大且刀尖到平板的距离小于75cm，致使刀具下落时基本能保持竖直刺入。而对这三种能量下所采用的板厚度为4.7±0.05mm、5.05±0.05mm，所以结果是这三种能量下板的穿刺厚度变化趋于平缓。对于22J和24J下由于没有合适厚度的板做基础，所以采用厚板测量浸入深度，由于这两种能量差距不大，且22J和24J本身的能量也不大，刀具下落浸入基板过程中角度发生偏移，结果是22J和24J情况下基板厚度与前面几种能量下的厚度数据依然保持平缓增加。对于26J、28J、30J能量下，由于刀尖到基板上表面的竖直距离大于1m，在刀具落到基板上时，基板首先会受到刀尖的瞬时穿刺的力，由于基板未被固定，基板受到背衬的弹力向上弹起，最终导致刀尖刺入基板往往不是竖直浸入。这时候，由于采用的是厚板测量浸入深度，加上材料的性能影响，导致这三种能量下基板的厚度数据发生明显偏折现象。对于32J、34J、36J能量下，这三种能量的差距不是很大，而且有现成可以测试的基板厚度，所以测出的结果是这三种能量下基板的厚度图线趋于平缓增长。
6.结论
在对三种不同尼龙材料制成的纯平板试样的防刺性能测试中，由尼龙6制成的平板试样在24J的穿刺能量下可抵御刀刺的的最小厚度为5.54mm，这跟而由尼龙11制成的平板厚一样，由尼龙12制成的平板厚度在5.30mm时就可以抵御24J的穿刺能量。
在16J-30J范围内，PA12的临界厚度低于PA6和PA11的厚度，所以可以认为PA12的防刺性能在16J-30J的范围内优于PA11和PA6。根据GA68-2008，在24J的穿刺能量下，PA12的临界厚度最小，同时制成0.3m2大小的防刺服时，使用PA12材料制成的防刺服成衣要比PA11制成的成衣质量更低，所以适合作为防刺服材料。
参考文献
[1]美国弗吉尼亚州发生暴力事件致１死３４伤.新华网，
2017-08-13 http：//news.xinhuanet.com/2017-08/13/c_1121473897.htm
[2]王颖,徐伯俊.防刺服的现状及发展趋势[J]. 纺织导报,2011(1)：83-84.
[3]甄琪,钱晓明,张恒.防刺材料的研究现状及展望[J].棉纺织技术,2014,42(10)：77-81.
论文作者:夏乃珂
论文发表刊物:《防护工程》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/28
标签：厚度论文; 材料论文; 能量论文; 基板论文; 刀具论文; 平板论文; 尼龙论文; 《防护工程》2017年第36期论文;