CN1422378A - 防弹背心 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含柔韧织物叠层和柔韧单向层叠层的防弹背心，其中织物含有第一类强性纤维，单向层含有第二类强性纤维，且其中单向层中的纤维基本上平行分布并以大于零的角度相对于邻近层纤维排列，且其中的柔韧织物是松散织物且被置于背心的受力面。其松散织物与UD层叠层的重量百分比为15∶85至30∶70％。在这种情况下，面密度小于6kg/m2的背心具有阻挡速度达到437m/s的Action3子弹和依据NIJ标准的损伤程度小于44mm的防弹能力。

Description

防弹背心
本发明涉及一种含柔韧织物叠层和柔韧单向层叠层的防弹背心，其中织物含有第一种的强力纤维，单向层含有第二种的强力纤维，且其中单向层中的纤维基本上平行分布并以大于零度的与邻近层纤维的角度排列。本发明更具体地涉及了提供对凹头子弹(hollow-pointbullets)进行防护的背心。
新型号子弹带来的变化的威胁要求不断更新防弹衣物设计。例如，没有任何一种现有背心设计显示出提供对一种新型子弹(Action 3子弹)的保护，这是因为其凹头会留滞于体内。防御这型子弹会造成背心过重而引起不适。
本领域中已知有防御不同威胁的背心。例如US 5,926,842中公开了一种含柔韧平织织物层叠层和柔韧单向层叠层的防弹背心，该柔韧单向层在此称为UD层，其纤维基本平行分布并以与邻近层纤维成90度角排列。这样一种由至少两个成交叉帘布层的UD层构成的叠层在此被称为UD交叉帘布层。US 5,926,842教导了该UD交叉帘布层优选地置于背心的着力面。具有面密度约4.9kg/m2的这种背心提供了例如对在NIJ2和NIJ2a标准中指定的那些威胁的防护。
在寻求对Action 3子弹的保护中，测试了US 5,926,842中的各种设计。这些测试表明，在用于根据US 5,926,842中的组件的背心的UD交叉帘布层组件中不管织物是否和高张力的聚乙烯纤维结合，在背心的面密度至少为6.5kg/m2的条件下，只能提供对速度为430m/s的Action 3子弹的保护。这样高的面密度显著地降低了背心的穿着舒适度。
本发明的目的是提供一种较低面密度且对Action 3子弹提供保护作用的背心。
根据本发明，该目的的实现在于其柔韧织物是一种松散织物并被置于背心的着力面。这就保证了本发明的背心的面密度低于6kg/m2并提供对Action 3子弹的防护。
此处和以下所指的松散织物指其中纱线可便于相互移动的织物。这样的织物也是可变形的。出人意料的是，已经发现将松散织物放置在背心着力面的背心能提供更好的对Action 3子弹的防护。同时，本发明中具有低面密度的背心也能提供和在着力面不含松散织物的背心同样的保护。
本发明背心的一个优点是因为重量较低而使穿着更为舒适。
背心的防弹能力可以根据不同标准进行分类。其中一种标准是NIJ标准0101.03，其定义了不同防护水准。符合NIJ2a标准的背心必须能够阻挡例如速度为381m/s的.357 Magnum JSP及速度为332m/s的9mm FMJ。
符合NIJ3a标准的背心必须能够阻挡速度为426m/s的.44Magnum SWC及速度为426m/s的9mm FMJ。除防止子弹穿透以外，在受到冲击后的身体一侧的变形范围是NIJ标准0101.03的第二要求。这一变形测定背心穿着者在射弹冲击时所受的损伤。本发明背心的一个优点是除其较低的重量外，背心身体一侧的变形符合NIJ标准0101.03的要求。
松散织物可为例如斜纹组织、蜂巢组织、绳状组织或三维织物。这里织物的悬垂性是必要的。悬垂性织物通常指其浮纹数目为至少3，也就是说该织物所含的纱线同时穿过至少3根其他的纱线。
优选地，松散织物中的纤维被充分拉伸。无纺布被发现并不适用于阻挡Action 3子弹。
松散织物优选斜纹组织织物。斜纹组织织物指经纱和纬纱不像平纹组织织物中一样以1∶1的比例相互穿插，而是以非1∶1的比例。例如在4.1斜纹组织织物中，纬纱在织物的一面穿过4根经纱，在另一面穿过1根经纱，以此类推。这种织物中的浮纹数目为4。本发明中的织物优选5.1斜纹组织。其提供了最轻背心重量时对Action 3子弹的最大防护。
UD层叠层可由一个或多个UD组件组成。UD层叠层优选由多个UD组件组成，每一UD组件包含2或4个UD层。优选地，组件的两面都有光滑膜，用以减小组件之间的摩擦以及获得更高的叠层柔韧性。
这里“纤维”应被理解为被拉长的组织，其长度显著大于宽度和厚度。纤维包括连续单丝和多丝以及不连续丝如人造短纤维或短纤维丝。
一般来说，松散织物叠层和UD层叠层在背心中的重量百分比可为10∶80至50∶50％。如果松散纤维的重量百分比小于10％，则须在背心中添加不成比例的多个UD层，导致较低重量的优点丧失。如果松散纤维的重量百分比大于50％，任何斜纹织物的添加层对Action 3子弹的防护能力低于正常比例状态，又会导致较低重量的优点丧失。
松散织物叠层和UD层叠层的重量百分比优选为15∶85至30∶70％。
这确保了本发明的含复合面密度小于6kg/m2的第一和第二叠层的背心所具有的防弹能力可阻挡速度达到437m/s的Action 3子弹，且其依据NIJ标准的损伤程度小于44mm。
这同时确保了其中第一和第二叠层的总面密度小于5.2kg/m2的本发明的背心具有符合NIJ3a标准的防弹能力。
这也确保了本发明的复合面密度小于4.5kg/m2的第一和第二叠层的背心所具有的防弹能力可阻挡速度达到385m/s的Action 3子弹，且其依据NIJ标准的损伤程度小于44mm。
第一类和第二类“强力纤维”可为不同类型或同种类型，且在本发明中通常是强度为至少6dN/tex、模数至少130dN/tex和断裂能至少8J/g的纤维。强力纤维优选强度为至少10dN/tex、模数至少200dN/tex和断裂能至少20J/g的纤维。强力纤维更优选的是强度为至少16dN/tex、模数至少400dN/tex和断裂能至少27J/g的纤维。强力纤维最优选的是强度为至少28dN/tex、模数至少1200dN/tex和断裂能至少40J/g的纤维。如果第一类纤维不具有第二类纤维的同种强度，建议第一类纤维应比第二类纤维更结实。
合适的强力纤维为芳族聚酰胺纤维、聚吲哚(PBO)纤维、碳化硅纤维和/或增强聚合物如拉伸的超高分子量聚乙烯(HPPE)和/或其组合物纤维。超高分子量聚乙烯指重均分子量为至少500,000kg/kmol的聚乙烯。
该分子量优选为大于2,000,000kg/kmol。本发明的背心优选具有一个其UD层主要含芳族聚酰胺纤维或PBO纤维的UD层叠层。这保证了其第一和第二叠层的复合面密度小于4kg/m2的背心所具有的防弹能力可阻挡速度达到385m/s的Action 3子弹，且其依据NIJ标准的损伤程度小于44mm。
本发明背心的一个优点在于松散织物替换单向层的结构提高了防御特定种类的弹药包括Action 3子弹的保护能力。由于生产松散织物要简单得多，因此本发明背心的生产成本要低于那些已知的仅由UD层组成的背心。
防弹织物，如用于已知背心中的防弹织物，主要是密织固定织物，通常其纱线纤度尽可能低。纱线的制造及由此而来的织物的制造都比UD交叉帘布层的制造成本高的多。
松散织物的纱线纤度无须符合任何特定要求，然而，本发明背心优选含有一个织物组件，其织物主要由纤度至少为1000dTex的纱线组成。用这种纱线获得的效果优于由纤度小于1000dTex的纱线组成的织物组件。纤度更高的纱线的另一优点是生产纱线和用纱线织造的织物都比低纤度纱线更便宜。
本发明用一些实施例加以说明。
织物或UD层或组件的面密度(AD)指每单位面积的织物或UD层重量。
UD-SB2是一个四交叉帘布层组件，其每一层中的纤维都基本上平行分布并且垂直于邻近层纤维排列，每一层都由HPPE纱线(Dyneema)织造。每层的纱线重量均为26g/m2。UD-SB2组件含有一个橡胶基质并且两面都由PE膜覆盖。UD-SB2组件的AD为155g/m2。
UD-SB21是一个四交叉帘布层的组件，其每一层中的纤维都基本上平行分布并且垂直于邻近层纤维排列，每一层由HPPE纱线(Dyneema)织造。每层纱线重量为26g/m2。UD-SB21组件含有一个橡胶基质并且两面都由PE膜覆盖。UD-SB21组件的AD为145g/m2。
Goldflex是一个基于1100dTex芳族聚酰胺纱线、AD为233g/m2的4层交叉帘布UD层。
W557是5.1斜纹组织织物，其经纱和纬纱由1760dTex HPPE纱线(Dyneema)组成。织物层面密度为270g/m2。该织物松散且悬垂性良好。
芳族聚酰胺织物为一种基于930dTex芳族聚酰胺纱线(TwaronTC)、AD为200g/m2的非变形平织织物。
Twaron VD0461为一种基于3360dTex芳族聚酰胺纱线、面密度为475g/m2的固定、非变形织物。
Fraglight为一种基于大于880dTex的HPPE人造短纤维、AD为205g/m2的无纺织物。
在所有实施例和对比实验中，除有明确声明外，其织物均被置于织物UD背心的受力面。实施例一：
用Action 3(A3)子弹分别以440、432、433、430和437m/s的速度射击由29个UD-SB2组件和5层W557组成的总面密度为5.85kg/m2的叠层制备的背心。
没有任何子弹完全穿透。这个结果是非常令人惊奇的，因为所用的织物是用1760dTex Dyneema纱线织造的非常粗糙的织物。直到现在，工艺上日益完善的防弹织物的发展方向仍为使用更精细的织物及更低的每层的面密度。这一方向与使用松散织物的本发明是相反的。实施例二：
用A3子弹以385m/s的速度射击由20个UD-SB2组件和4层W557组成的叠层制备的背心。AD为4.2kg/m2的背心无完全穿透迹象。和实施例一所涉及的可以阻挡速度为430m/s的Action 3子弹的背心相比，对于385m/s的速度，参照AD为5.85kg/m2的背心对能量的吸收，这种背心比所预想的要轻。实施例三：
用A3子弹以385m/s的速度射击由12个芳族聚酰胺交叉帘布UD层(Goldflex)组件和4层W557组成的叠层制备的背心。AD为3.9kg/m2的背心无完全穿透迹象。实施例四：
分别以362、378、416、422、430和431m/s的速度射击由20个UD-SB2组件和4层1760dTex纱线织造的3.1斜纹组织织物(每层的AD为275g/m2)组成的叠层制备的背心(AD为4.4kg/m2)。
在378和430m/s的速度时发生了完全穿透。在362、416、422及甚至在431m/s速度时成功阻挡。由于该矛盾(在378m/s速度时的穿透和431m/s速度时的阻挡)，因此测试了由同种组成制备的第二种背心，结果是：431m/s时一次完全穿透，而其他全部阻挡，也就是在407、415、426、431、433、425和436m/s速度时。因此这一织物结合SB2能够阻挡A3子弹，但因在378m/s速度时的完全穿透而显得不够稳定。实施例五：
射击实验依据NIJ2标准进行，即用9mm以360m/s的速度和.357 Magnum以425m/s的速度对由20个UD-SB2组件和4层W557组成的叠层制备的背心进行了测试。两种情况都没有出现完全穿透。因此，由20个UD-SB2组件和4层W557组成的叠层制备的AD为4.2kg/m2的背心符合NI J标准。现有对符合NIJ2标准的SB-2背心的建议是一个由29个AD为4.5kg/m2的UD-SB2组件组成的叠层。实施例六：
射击实验依据NIJ3a标准进行：
a、使用9mm：用9mm以425m/s的速度射击由26个UD-SB2组件和4层W557组成的叠层制备的背心，然后确定V50。发现在425m/s的速度时有三次阻挡并且V50为491m/s。
b、使用.44 Magnum：用.44 Magnum以425m/s的速度射击由26个UD-SB2组件和4层W557组成的叠层制备的背心且确定另一V50。发现在425m/s的速度时有三次阻挡并且损伤程度小于44mm，V50为476m/s。
结论：由26个UD-SB2组件和4层W557组成的叠层制备的AD为5.1kg/m2的背心符合针对9mm和.44 Magnum的NIJ 3a的标准。现有对符合这一标准的SB2背心的建议是由5.3kg/m2的UD-SB2组件组成的叠层制备的背心。实施例七：
防御Ranger SXT+P+弹药的保护测试。与Action 3子弹相似，这是一种带弹壳的凹头子弹。
用Ranger SXT 9mm子弹以425m/s的速度测试由20个UD-SB2组件和4层W557(AD为4.2kg/m2)组成的叠层制备的背心。
分别在421和425m/s速度时实现阻挡，损伤程度分别为33和35mm。
因为被测试的背心和实施例五中的背心及实施例六中含6个额外的UD-SB2组件的背心相同，这就意味着在实施例五和六中用于NIJ2和NIJ3a测试的背心也能阻挡Ranger SXT+P+子弹。实施例八：
用A3子弹以410m/s的速度射击由20个U9-SB2组件和4层松散的、易于变形的、其经纱和纬纱都加入了5根平行的HPPE 1760dTex纱线(5个浮纹)的平织织物(368g/m2)组成的叠层制备的背心。未发现AD为4.6kg/m2的背心有完全穿透迹象。实施例九：
用A3子弹以410m/s的速度射击由20个UD-SB2组件和3层松散的、易于变形的、有3个和更多个浮纹的、由1760dTex的HPPE制成的绳状组织织物(287g/m2)组成的叠层制备的背心。AD为4.3kg/m2的背心无完全穿透迹象。实施例十：
用FSP碎片射击由20个UD-SB21组件和4层W557组成的总面密度为4kg/m2的叠层制备的背心以确定V50。
V50为549m/s。实施例十一：
用9mm铜壳子弹射击由20个UD-SB21组件和4层W557组成的总面密度为4kg/m2的叠层制备的背心。在383m/s速度时实现阻挡。损伤深度为25-35mm。实施例十二：
用FSP碎片射击由18个UD-SB21组件和4层W557组成的总面密度为3.7kg/m2的叠层制备的背心以确定V50。
V50为523m/s。这表明本发明的背心有在这种低面密度防御FSP碎片时的惊人的高V50值。因此每一单位面密度的能量吸收都特别高。实施例十三：
用标准9mm子弹射击由18个UD-SB21组件和4层W557组成的总面密度为3.7kg/m2的叠层制备的背心。在382m/s速度时实现阻挡。损伤深度为29-38mm。实施例十四：
用9mm铜壳子弹射击由18个UD-SB21组件和4层W557组成的总面密度为3.7kg/m2的叠层制备的背心，在382m/s速度时实现阻挡。损伤深度为24-33mm。实施例十五：
用9mm SXT巡逻兵子弹(ranger bullets)射击由18个UD-SB21组件和4层W557组成的总面密度为3.7kg/m2的叠层制备的背心，在375m/s速度时实现阻挡。损伤深度为26-31mm。对比实验A：
用A3子弹和不同组成的组件进行射击实验。
结果如下：
a)由12层芳族聚酰胺织物和29个UD-SB2组件组成的叠层制备的AD为6.9kg/m2的背心在411m/s速度时有穿透。
b)由20层芳族聚酰胺织物和14个SB2组件组成的叠层制备的AD为6.2kg/m2的背心在442m/s速度时有穿透。
c)由24层芳族聚酰胺织物和9个UD-SB2组件组成的叠层制备的AD为6.2kg/m2的背心在436m/s速度时有穿透。
d)由28层芳族聚酰胺织物和4层SB2的叠层制备的AD为6.2kg/m2的背心在436m/s速度时有穿透。
e)由31层芳族聚酰胺织物制备的AD为6.2kg/m2的背心在约430m/s速度时有穿透。
f)由18层芳族聚酰胺织物放置在20个UD-SB2组件的叠层后面制备的AD为6.9kg/m2的背心在417m/s速度时有完全穿透。
g)由10层fraglight放置在29个UD-SB2组件的叠层前面制备的AD为6.5kg/m2的背心在约421m/s速度时有完全穿透。
h)用于阻挡速度为385m/s的A3子弹需使用由21个W557组件制备的AD为5.7kg/m2的背心。
i)由51个UD-SB2组件制备的AD为7.9kg/m2的背心被证明不能完全阻挡速度为400m/s的A3子弹。
j)用于阻挡速度为430m/s的A3子弹的芳族聚酰胺织物的层数是确定的。达到该目的需使用一个AD为6.5kg/m2的31层叠层。对比实验B：
从20个UD-SB2组件开始，确定阻挡A3子弹需要多少层纱线纤度为3360dTex、置于UD-SB2组件叠层前的不变形平织芳族聚酰胺织物(Twaron VD 0461)。发现用于阻挡A3需20个UD-SB2组件和8层AD为6.8kg/m2的芳族聚酰胺织物。这显著大于UD-SB2和W557组合的4.2kg/m2这一结果。对比实验C：
制备约3.2kg/m2的背心以测定不同材料的标准防弹性能，然后确定9mm parabellum的V50。
结果
 材料  层数  AD(kg/m2)  V50(m/s)
 SB2  20  3.1  439
 W557  12  3.2  ＜295
 Twaron CT930dTex  16  3.2  353
 TwaronVD0461  7  3.3  ＜304
这些结果确认了单独的松散织物给出低水准性能的观点：DyneemaW557和Twaron VD 0461织物甚至不能阻挡约300m/s速度的9mm子弹。结果同时指出在可比面密度条件下，SB2表现优于以Twaron CT930dTex为基础的芳族聚酰胺织物。

Claims (10)

1.含柔韧织物叠层和柔韧单向层叠层的防弹背心，其中织物含有第一类强力纤维，单向层含有第二类强力纤维，且其中单向层中的纤维基本上平行分布并以大于零度的角度相对于邻近层纤维排列，其特征是柔韧织物是松散织物且被置于背心的受力面。
2.根据权利要求1的背心，其中松散织物含有至少3个浮纹。
3.根据权利要求1或2的背心，其中松散织物为斜纹组织。
4.根据权利要求1-3中任一项的背心，其中松散织物叠层与UD层叠层的重量百分比为15∶85至30∶70％。
5.根据权利要求1-4中任一项的背心，其中第一和第二叠层的共同面密度小于6kg/m2，且该背心具有阻挡速度达到437m/s的Action3子弹和依据NIJ标准的损伤程度小于44mm的防弹能力。
6.根据权利要求1-4中任一项的背心，其中第一和第二叠层的共同面密度小于4.5kg/m2，且该背心具有阻挡速度达到385m/s的Action 3子弹和依据NIJ标准的损伤程度小于44mm的防弹能力。
7.根据权利要求1-4中任一项的背心，其中第一和第二叠层的共同面密度小于5.2kg/m2，且该背心具有符合NIJ3a标准0101.03的防弹能力。
8.根据权利要求1-7中任一项的背心，其中单向层主要包含芳族聚酰胺纤维或聚吲哚(PBO)纤维。
9.根据权利要求1-8中任一项的背心，其中第一和第二叠层的共同面密度小于4kg/m2，且该背心具有阻挡速度达到385m/s的Action3子弹和依据NIJ标准的损伤程度小于44mm的防弹能力。
10.根据权利要求1-9中任一项的背心，其中织物为5.1斜纹织物。
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