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“年少万兜鍪,坐断东南战未休。”这句千古传诵的名句,其中的“兜鍪”一词,说的就是头盔。提起头盔,大家一定都不陌生,从冷兵器战争到热武器战争,头盔始终是保护士兵安全的重要装具。许多人的脑海里可能已经浮现出了经典战争电影中,士兵头上沉甸甸的钢盔的画面,可是,现在的头盔早已不是大家印象中的那种“铁疙瘩”,甚至制备头盔的原材料都不是金属,而是“轻飘飘”的纤维。
电影《血战钢锯岭》里主角戴斯蒙德·道斯戴着钢盔救助伤员(来源:电影《Hacksaw Ridge》剧照)
大家也许会好奇,坚硬的钢盔依靠材料的硬度抵御炸弹破片、碎石的威胁,那么,纤维是怎么抵挡的呢?这里说的纤维,当然不是平时大家衣服所用的材料,而是一种高性能纤维——芳纶。头盔的防护原理并非依靠一层硬壳硬扛,而是像渔网一样将碎片紧紧兜住。这里衡量材料性能的核心指标并非硬度,而是比强度。比强度通俗来讲,就是同样一斤重的材料,谁能承受的拉力更大。钢铁看着硬,但密度大、太沉,比强度其实并不高;而高性能纤维的比强度远超钢铁,几两重的芳纶防护能力能顶得上一斤重的钢材。打个比方:同样粗细的绳子,麻绳能提20斤,尼龙绳能提100斤,而高性能纤维拧成的绳,能提起上千斤的重物,自重却几乎没差别。
头盔中芳纶防护撞击的原理
现代头盔中用得最多的材料就是芳纶。芳纶全称芳香族聚酰胺纤维,大家常听的“凯夫拉”就是一种芳纶。
早在20世纪60年代,美国杜邦公司实验室就成功合成了对位芳纶纤维,1972 年正式实现工业化量产,商品命名即为“凯夫拉”。美军于70年代中后期启动芳纶防弹头盔研发,1985年完成 PASGT 地面部队装甲系统头盔全军制式配发,逐步取代自 1941 年列装、沿用四十余年的M1钢制头盔,正式拉开单兵头盔“以纤代钢”的技术变革序幕。
芳纶纤维的化学式与微观结构(来源:岳航宇.《芳纶/聚氨酯复合材料的界面改性及防弹性能研究》,大连理工大学,2024)
芳纶的分子结构是一串刚性的环状骨架,像一根根微型钢筋,分子之间咬合力极强,很难被扯断。把芳纶织成布,几十层叠在一起压成头盔壳体,就形成了“软中带硬”的防护层。当破片过来的时候,几十层被特种树脂固定的纤维同时发力,就像是几十层渔网叠在一起,石头砸过来,一层一层把冲击力分散、卸掉,最后将破片牢牢“兜”住。同样防护等级下,芳纶头盔比老式钢盔轻30%—40%,不仅能防炮弹破片,还能挡住普通手枪弹的直射。
对位芳纶长丝与短切纤维实物图(来源:CIOE 中国光博会展会参展商产品展示图)
除此之外,有些芳纶头盔中还会复合超高分子量聚乙烯纤维。这种纤维的最大优势就是轻,密度比水还小,是目前最轻的高性能防护纤维。荷兰DSM公司研发的迪尼玛超高分子量聚乙烯纤维是轻量化防弹材料的代表,同重量下,它的强度是钢铁的十几倍,其比强度显著优于芳纶,目前已大量应用于欧洲多国新一代防弹头盔。英国后续列装的Virtus MK8作战头盔采用芳纶与迪尼玛超高分子量聚乙烯复合结构,相比前代纯芳纶MK7头盔重量降低约15%。可是,由于其耐高温能力远不如芳纶,因此很少被单独使用,更多是与芳纶搭配做成复合材料。
“防护就得厚,就得硬”的观念已经过时,真正好的防护,是用更聪明的材料、更合理的结构,在重量和防护之间找到最优解。从钢铁头盔到如今的纤维头盔,头盔的发展史是材料科学的进步史,科学进步的脚步从未停下,我们很难想象下一代头盔会不会采用一种更新奇的材料制作,未来无限可能,让我们拭目以待。(黄天乐 周宇宽)
