近年来，恐怖分子的暴力袭击活动时有发生，国内外的反恐形势日益严峻，因此许多国家和地区都制定了严格的枪支管制条例，大大降低了枪击案件的发生［1］22。然而，刀具作为日常用品难以管控，就成为了恐怖分子的主要作案工具。同时在很多犯罪案件中，刀具也是犯罪分子致人伤残甚至死亡的重要作案工具。在我国，刀具袭击已经严重威胁到了人民群众的生命财产安全。据公安部统计，近10年内共有3 773名警察因公牺牲，5万余名警察因公负伤，其中刀具等的刺入伤害占据着一定的比例。因此，加强对高性能防刺材料的研究和开发具有重要的意义。1 防刺材料的分类防刺材料最初是采用钢片、钛合金片、高强度铝合金片等金属类硬质材料，随后发展为工程塑料片、陶瓷片、树脂片、超高分子量聚乙烯纤维和对位芳香族聚酰胺纤维织物等非金属材料［2］。目前，按材料的柔软度和服用的舒适度可将防刺材料分为硬质防刺材料、半硬质防刺材料和软质防刺材料。1.1　硬质防刺材料传统的硬质防刺材料主要是采用具有整体造型的金属类防刺插板，类似于古代的作战盔甲。宫政仿照自然界中壳类的稳定结构，采用3D打印⁃激光烧结技术加工制备了一种微蛋壳结构的防刺基板，可以有效地削减刀具的破坏［3］。袁梦琦等人基于仿生学原理，参考了穿山甲、鳄鱼、蜥蜴等自然界生物麟甲的形态结构，设计出了一款三棱锥结构的钛合金基板，如图1所示［4］。三棱锥结构相较于平板结构能够更有效地分散刀具的冲击力，避免动能的集中破坏，从而达到更好的防护效果。而采用改进型钛合金（TC611）材料相较于传统的硬质金属防刺材料，其耐冲击韧性更好，质量更轻。.F001图1三棱锥结构防刺基板（a） 防刺单元 （b）防刺基板人体穿着硬质防刺材料后通常活动受限，为了增加运动的灵活性，硬质防刺材料也会采用甲片式的结构造型。于春玲等人同样是利用仿生学研制出了一款近似鱼鳞状的防刺甲片，与传统的整块金属类防刺材料相比，其弯曲性能和灵活性能都有了一定程度的提升［5］。1.2　半硬质防刺材料早期的半硬质防刺材料主要是将金属材料或者陶瓷等硬质材料与高性能纤维复合。为了减轻人体穿着的负荷，通常也会采用金属丝或者薄型金属片与纤维复合。美国Criminology公司制造了一款由对位芳纶（凯夫拉）和玻璃纤维制成的防刺服，其表面采用不锈钢网、钛丝或者钛等轻质金属薄片，提高了材料的防刺性能［6］。为了进一步减轻防刺材料的质量和厚度，研究人员开始尝试在织物上涂层制备防刺材料。强桂燕等人采用热压工艺将碳化硅颗粒涂覆于涤纶织物上［7］。夏民民等人将碳化硼粒子与环氧树脂混和后再涂覆制备了防刺织物［1］23。通过准静态穿刺试验发现，与未添加碳化硼的涂层织物相比，添加碳化硼的涂层织物防刺性能提升了4.28倍。通过涂覆硬质粒子工艺可以在满足防刺标准的前提下显著减少织物厚度及其质量，但织物的透气透湿性下降，易引起穿着不适感。为了改善织物的透湿透气性能，马飞飞提出了一种新工艺，将树脂薄片按照设计图案黏结在基布表面，制备了离散树脂成型复合材料，如图2所示［8］。通过穿刺试验发现，4层离散树脂成型复合材料与40层叠层芳纶平纹织物的防刺性能相当。防护等级相同时，离散树脂成型复合材料的厚度更薄，质量更轻。透气试验表明，该复合材料的透气性能较好，与日常穿着的服装接近。但是这种贴片式的工艺也存在明显缺点：一是难以保证树脂片与基布的剥离强度，可能存在穿洗后的剥落问题；二是加工工艺较为繁琐，生产效率较低，不易进行产业化生产。.F002图2离散树脂成型复合材料1.3　软质防刺材料近年来，随着新材料的开发以及人们对于穿着舒适性要求的提高，防刺领域的研究热点逐渐向软质材料转移，以对位芳纶和超高分子量聚乙烯为主的高性能纤维越来越多地被用于开发软质防刺材料。单层柔性织物质量轻、厚度薄，但防刺效果一般，通常需采用层叠方式提升其防护性能。雷鹏研究了超高分子量聚乙烯、对位芳纶（凯夫拉）以及高强涤纶织物不同层叠角度对织物防刺性能的影响，通过动态穿刺试验发现：无论是超高分子量聚乙烯、对位芳纶还是高强涤纶织物，层叠角为45°时织物的动态防刺性能最好；超高分子量聚乙烯织物的动态防穿刺性能最好，高强涤纶织物次之，对位芳纶织物最差［9］。通过织物的层叠可以有效提升软质防刺材料的防刺性能，但细号高密织物的层叠限制了人体水汽蒸发，降低了人体穿着后的舒适感。王颖按照每6层超高分子量聚乙烯平纹织物中放置一块粘胶非织造布的方式将24层超高分子量聚乙烯平纹织物与3层粘胶非织造布层叠，制备了一种柔性防刺材料［10］。经过动态穿刺试验发现，该材料的防刺性可满足国家标准。粘胶非织造布的加入能够提升材料的吸湿性，从而保证皮肤的舒爽感。通过层叠处理可以有效提高材料的防刺性能，但同时也增加了织物的厚度，影响了人体穿着后的运动灵活性。为此，剪切增稠液逐渐在防刺领域中被广泛应用。研究发现，通过剪切增稠液的浸渍，材料的防刺性能能够得到较大的提升。剪切增稠液由分散相和分散介质组成，通过改变纳米粒子的种类、尺寸及形状等参数，可以降低防刺服的厚度，提高防刺性能，但对防刺速度要求过高［11］。为了降低剪切增稠液的临界剪切速率，提高材料的防刺性能，多相剪切增稠液开始受到人们的关注。GÜRGEN Selim等人在硅和聚乙二醇基剪切增稠液中加入不同粒径的碳化硅颗粒，制备了新型多相剪切增稠液［12］。王瑞等人通过对多壁碳纳米管进行氧等离子体处理，促进剪切增稠作用，提高纱线间的摩擦力，使织物的失效模式由纱线滑移变为纱线断裂，进一步提高了材料的防刺性能［13］。田明月以气相二氧化硅和碳纳米管为分散相，采用超声分散法制备了多相剪切增稠液，与超高分子量聚乙烯浸渍制备防刺材料［14］。在剪切增稠液体系中加入碳纳米管提升了多相剪切增稠液体系黏度和剪切应力，缩短了增稠的周期，从而降低了体系的临界剪切速率。2 防刺纤维材料及其组织结构纤维是构成软质防刺材料的主体，织物的防刺性能在很大程度上取决于纤维的机械性能，因此通常选用高强度、高模量的纤维制作。对位芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、PBO纤维等是常见的防刺用高性能纤维。对位芳纶（凯夫拉）最早由美国杜邦公司研发，具有高强度、高模量、耐高温、化学稳定性强等优点，比强度是钢的5倍至6倍，模量是玻璃纤维的2倍到3倍，是目前高性能纤维的代表［15］。超高分子量聚乙烯纤维凭借其高强度、高模量等优异的力学性能，目前已经成为应用最为广泛的防护用材料之一，其比强度是碳纤维的2.6倍，是芳纶的1.7倍［16］。PBO纤维的物理机械性能优于对位芳纶、碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维，其强度和模量是对位芳纶（凯夫拉）的2倍，是目前有机纤维中最好的，被冠以“纤维之王”的盛誉［17］。纤维原料决定织物性能，而织物组织结构以及制造方式对材料的防护性能也有一定的影响。顾肇文以超高分子量聚乙烯纤维为原料，采用不同组织结构制备了织物。通过准静态防刺试验发现，单层的超高分子量聚乙烯纤维细号平纹织物防刺性能最优，其次为无纬布，再次是粗号平纹织物，非织造布的防刺性能最差［18］。邹画眉等人研究了织物组织、织物紧度、面密度对超高分子量聚乙烯纤维织物防刺性能的影响，测试分析发现，平纹织物防刺性能最好，且织物防刺性能随着织物紧度和织物密度的增加先增强后减弱［19］。MESSIRY M E等人研究发现三向织物承受载荷的方向为多轴向，可以吸收更多的能量，保证各方向受力均匀，与机织物和针织物相比，三向织物具有较好的防刺性能［20］。由于单层二维织物的防刺性能始终有限，通常采用层叠方式满足其防刺性能。但是，二维层叠织物存在易分层、层间强度低的缺陷，通过在厚度方向引入纱线的三维织物可以克服二维织物层叠的缺点。钟智丽等人制备了三维机织物并进行了动态穿刺试验，结果表明，纯三维机织物可以将刀尖刺入深度控制在7 mm以内，虽然没有达到国家标准，但相较于单层的二维织物，其防刺性能得到了较大的提升［21⁃22］。3 防刺机理对防刺机理进行研究有助于进一步提升材料的防刺性能。不同材料，其防刺机理也是有所差异的。对于硬质金属材料而言，其防刺机理主要是利用金属材料的高硬度，在刀具穿刺的过程中钝化刀尖，增大刀尖的穿透阻力，通过材料的变形吸收刀具能量，阻止刀具的刺入。剪切增稠液复合材料的防刺机理主要是剪切增稠液的剪切增稠加强了纱线之间的摩擦作用，导致纱线难以滑移，使织物失效模式由纱线的滑移抽拔转换成纱线的撕裂断裂。另外，刀具能量可以通过剪切增稠液向周围扩散，避免了动能的集中破坏。硬质粒子涂层使纱线难以滑移，增加了纱线与刀具的摩擦，硬质粒子钝化了刀尖和刀刃。刀具能量转换成涂层开裂、剥离和纱线抽拔、断裂。对于阵列排列的树脂基体，其防刺机理可以看成是前几者的综合，如图3所示。当刀尖落于树脂片中间部位时，柔性基布向下弯曲，相邻树脂片闭合，避免刀尖滑移至间隙。当刀尖落于树脂片边缘，树脂片向靠近刀尖一侧倾斜并实现闭合。只要刀尖落于树脂片上，硬质的树脂片都起到钝化刀尖、阻止刀具深入的作用。当然，基布的拉伸变形也会吸收一部分刀具能量。当刀尖落于树脂片的间隙时，随着刀具的深入，刀具逐渐变宽直至大于间隙宽度，此时相邻树脂片向内倾斜并锁住刀尖，刀尖越深入阻力越大。此时，刀具和相邻树脂片之间的相互摩擦作用以及基布的拉伸变形可以消耗刀具的动能。图3穿刺示意图.F3a1（a）树脂基体.F3a2（b）树脂片中间.F3a3（c）树脂片边缘.F3a4（d）树脂片间隙4 防刺相关标准防刺标准是进行测试、评判材料防刺性能的重要依据，不同的防刺产品（防刺服、防刺手套），其测试方法和性能要求各异。对于防刺服装，英国2017年颁布了最新的HOSDB《防弹衣》标准，将刀具定义为两类：带刃刀具（单刃刀和双刃刀）和带尖刀具。刀具以不同的动能和刺入角度作用于防刺材料，根据刀具能否刺入和刺入的深度来划分防护等级。2000年，美国颁布了NIJ Standard—0115.00《防刺衣防刺性能测试》，该标准基本与英标相似［23］。除此之外，还有欧洲标准化委员会制定的ISO/FDIS 14876《防护服 防弹衣》以及我国的GA 68—2019《警用防刺服》［24］。对比国内外防刺服标准，最大的差别在于：我国标准规定防刺服测试后不能出现刀具穿透，而国外标准中普遍允许防刺服有7 mm的穿刺距离。对于防刺手套，国内还没有见到行业和国家标准，目前普遍采用欧标BS EN 388—2003《防止机械风险的保护手套》，该标准涵盖了手套的4种机械性能，包括耐磨、抗割、抗撕裂以及耐穿刺。5 结语随着时代的发展和人们安全防范意识的逐步提升，个体防护产品的需求量将会进一步增长。对于防刺装备的性能，人们也提出了更高的要求：不仅要达到防刺标准，还要兼顾穿着舒适性和运动灵活性。硬质防刺材料虽然有着优异的防刺性能，但始终难以克服质量重、穿着不舒适等问题。软质的高性能纤维防刺材料，需要经过层叠、涂层或者树脂浸渍处理才能满足防刺要求，影响了材料的透湿透气性能、舒适性能以及灵活性能。对于阵列排列的树脂基体材料，只需要较小的层数即可满足防刺要求，同时也不会影响材料的透气性以及穿着的舒适性和灵活性，具有广阔的应用前景，但也存在一些问题，例如树脂基体与基布复合成型工艺还不够完善，树脂基体的小尺寸、高硬度、低厚度目前难以实现等，需要研究者们继续努力。