全球防弹材料大盘点：从凯夫拉到石墨烯的革命性突破
接下来，让我们一起探索全球范围内的防弹材料。首先，你是否曾听说过凯夫拉（Kevlar）这种材料？它被誉为防弹领域的革命性突破，具有出色的防弹性能。
70年代初，美国杜邦公司成功研制出一种高性能合成纤维——凯夫拉（Kevlar），它不仅具有超高的强度和模量，还能耐高温。这种纤维迅速在防弹领域得到应用，使得纺织物防弹衣的性能得到显著提升，同时大幅提高了穿着的舒适性。美军成为首批采用Kevlar制作防弹衣的用户，并推出了轻重两种型号。这些新防弹衣以Kevlar纤维织物为基础材料，外层覆盖防弹尼龙布。轻型防弹衣由6层Kevlar织物精制而成，中号重量为3.83千克，相比传统的尼龙和玻璃纤维防弹衣，重量减轻了50%。在单位面积质量相同的情况下，其防护能力至少能提升一倍，同时保持出色的柔韧性。
“Kevlar”（凯夫拉）不仅是一个商标名，更代表着一种高性能的合成纤维。其背后的科学原理在于聚对苯二甲酰对苯二胺这种独特的液态结晶性棒状分子结构。在浓溶液中，这种结构能够自组装成高度有序的相畴。当纤维经过纺丝定向拉伸时，这些相畴会沿着剪切方向形成近乎完美的分子取向，从而赋予了Kevlar纤维超凡的强度和模量。
超高分子量聚乙烯纤维UHMWPE
超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）是由相对分子质量高达100万至500万的聚乙烯精细纺成的纤维。这种纤维以其卓越的强度和极低的比重，成为当前世界上公认的最强韧纤维。其强度惊人地超越了钢丝，达到了后者的15倍，同时却保持着超轻的重量，有时甚至比芳纶等材料轻至40%。
在国防军需装备领域，超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）因其出色的耐冲击性和高能量吸收能力而备受青睐。这种纤维可广泛应用于军事目的，如制造防护衣料、头盔以及防弹材料等。无论是直升飞机、坦克还是舰船，其装甲防护板都可以采用这种纤维进行强化。此外，雷达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣、防刺衣、盾牌以及降落伞等也都有其身影，其中防弹衣的应用尤为突出。UHMWPE纤维的轻柔特性使其在市场上占据领先地位，特别是美国防弹背心市场。值得一提的是，超高分子量聚乙烯纤维复合材料的比弹击载荷值U/p高达钢的10倍，远超玻璃纤维和芳纶，这使得国外采用该纤维增强的树脂复合材料制成的防弹、防暴头盔成为钢盔和芳纶增强复合材料头盔的优选替代品。
中国超高分子量聚乙烯纤维的发展概况可以概括为：中国在化纤领域拥有坚实的基础，其产量在2007年占据了全球的54%。然而，在高性能纤维的研发上，中国曾一度滞后。自1985年开始，中国启动了超高分子量聚乙烯纤维的研究，并得到了东华大学和盐城超强高分子材料工程技术研究所的助力，逐渐取得了一系列重大突破。1999年，中国成功突破了关键性的生产技术，成为继荷兰、日本、美国之后，全球第四个掌握这种纤维生产及应用技术的国家。
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）在结构上与普通聚乙烯相似，但其分子量却远高于普通聚乙烯。普通聚乙烯的分子量在2万至3万之间，而超高分子量聚乙烯的分子量则高达200万以上。这使得它具备了一系列卓越的性能。例如，其耐磨性在塑料中位居榜首，远超碳钢和黄铜；其冲击强度在现有塑料中也是最高的，即使在极低的温度下也能保持优异的性能；此外，它还具备良好的自润滑性，与聚四氟乙烯不相上下，且与钢、铜等金属配对时不易磨损；同时，其吸水率在工程塑料中也是最低的，确保了制品在潮湿环境中尺寸的稳定性以及机械性能的可靠性。
展望未来，超高分子量聚乙烯纤维的应用前景十分广阔。从传统的绳索、系缆和绳网，到生命防护应用、高性能纺织品、复合材料以及层压材料等多个领域，都有其大展身手的舞台。预计未来5年和10年内，全球对超高分子量聚乙烯纤维的需求将分别达到6万吨和10万吨。
此外，液体防弹材料作为一种新兴的防弹材料，也备受关注。其关键成分是一种特制的“剪切增稠液体(STF)”，这种液体在受到剧烈冲击时，其中的特殊粒子会相互碰撞并形成抵抗力。当子弹高速撞击这种材料时，“剪切增稠液”防弹衣会迅速吸引撞击能量并变得坚硬，从而有效地吸收子弹的冲击能量。这种材料在防弹领域的应用前景十分广阔。
碳纳米管，这一力学性能卓越的材料，以其超高的拉伸强度和断裂伸长率脱颖而出。尽管其密度仅为钢铁的六分之一到四分之一，但单位质量上的拉伸强度却高达钢铁的276倍。此外，碳纳米管的弹性模量也表现出色，比凯夫拉高出2.4倍。这些卓越的综合性能使碳纳米管在防弹领域展现出巨大的潜力，其盔具或防弹衣的抗击强度相较于凯夫拉至少提升2.4倍。
据R&D杂志2013年11月5日报道，Garrison Bespoke公司近期发布了首款时尚防弹西装。这款防弹衣以纳米技术制备的碳纳米管为关键材料，专为伊拉克美军第19部队特种兵设计。其专利材料轻盈且柔软，重量仅为传统凯夫拉防弹衣的一半，同时具备防刺伤功能，通过碳纳米管的强化作用有效抵御刀具穿透。此外，石墨烯——这种被誉为“黑金”和“新材料之王”的纳米材料，以其超薄、超高强度以及卓越的导电导热性能，被科学家寄予厚望，预计将引发一场全球范围内的颠覆性技术革命。
研究石墨烯防弹衣的科学家指出，相较于现有的凯夫拉防弹技术，石墨烯防弹衣的防护能力提升了2倍。尽管石墨烯目前尚无法单独形成高强度材料，但可与其他结构材料复合，从而有效防止弹击时产生的碎裂。
石墨烯防弹材料在军事领域具有广泛的应用前景，包括武装直升机防护装甲、防弹衣以及轻型防护装甲等。同时，它在民用防弹材料市场也展现出巨大的潜力。
此外，压缩玻璃碳作为一种新型碳材料，融合了石墨和金刚石的特性，展现出独特的性能。其压缩强度远超金属和陶瓷，且硬度与宝石相当，局部变形后的压入弹性恢复率也高于金属和陶瓷，甚至超过形状记忆合金和有机橡胶。这些特性使得压缩玻璃碳在军用装甲和航空航天等领域具有显著的优势和广泛的应用前景。
另外，人造蜘蛛丝也备受关注。
蜘蛛丝因其出色的弹性和柔韧性、耐冲击性和耐低温性而备受瞩目，特别是在-40℃的条件下仍能保持其弹性，使其成为制作防弹衣的理想材料。此外，蜘蛛丝由蛋白质构成，属于生物可降解材料，对环境友好无污染。然而，尽管蜘蛛丝具有诸多优点，但目前仍无法实现其大量生产，且人造蜘蛛丝的强度仅能达到天然蜘蛛丝的三分之一，尚不足以满足防弹纤维的需求。但鉴于蛛丝蛋白纤维的独特性质，美国军方仍在持续投入研发资金，以期能进一步突破技术瓶颈。
另一方面，八目鳗的防御性粘液也引起了科学家的兴趣。这种粘液主要由线状蛋白和黏蛋白组成，线状蛋白在与海水混合后会膨胀，产生大量透明黏液，其中包含着大量具有极高韧性和伸缩性的纤维。最近，美国海军的一支科研团队已经成功合成出类似八目鳗粘液的材料，这种新材料有望为军队提供一种新的防御手段，不仅能有效击退鲨鱼的攻击，还能提供弹道防护。
总体而言，防弹材料的研发正朝着更为舒适轻便、全方位防护以及仿生化的方向不断进步。随着新材料的层出不穷，防弹材料的开发潜力日益显现，各种新材料也都有着其最适合的应用场景。