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“金三发·当盛”杯获奖作品展 | 二等奖：闪御—RFS单兵防空护盾

来源：世展网分类：纺织用品行业资讯 2023-11-06 16:45 阅读：*****

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#“金三发·当盛”杯

作品设计的目的与意义

俄乌战争局势惨烈，战争的持续时间以及残酷程度超出了战前许多人的想象，为了避免作战人员减员等损失，双方都加大了无人机投弹的使用率，根据战场上流出的相关视频可以见得当下空中投弹对于空旷地带甚至战壕中的士兵杀伤力极大，以往战争中的传统防御战壕等手段在无人机投弹的定点轰炸下形同虚设。

图1 无人机空中投弹

一些防空系统难以应对无人机的投弹攻击，特别是在空旷无掩体地带，作战士兵一但被无人机锁定投弹，其生存几率微乎及微。针对这一问题，团队着手开发一种全新的单兵防空护盾，以提高士兵在战场上的防御投弹轰炸的情况。

通过使用我们的防空护盾，士兵在突遇投弹时能够在短时间内形成一个覆盖身体的防御材料，在空旷无掩体地带中士兵的防空能力能够得到一个质的提升。单兵防空护盾不仅为士兵提供了更好的安全保障，而且为国家在军事方面的发展提供了新的思路和平台。

原料与技术

2.1 工艺路线与工艺方案

产品采用克重为230 g/m²的平纹超高分子量聚乙烯布组成的空心正方体结构作为主体部分，耐高温玻璃纤维绳上下浮沉缝制成规律的立体网状结构起到加筋作用，其间利用高强高密的聚氨酯发泡剂填充与玻璃纤维绳组合成稳固结构。中间层采用克重为 45 g/m²的两层纵横向交叉放置的热风蓬松棉，速干水泥粉末经过高频振荡使其充斥于蓬松棉之中，与主体部分用玻璃纤维上下交替穿插结合为一体。最外层用克重为40 g/m²的pp亲水纺粘非织造布将中间层材料包裹，与最里层的超高分子量聚乙烯布一同通过超高分子量聚乙烯缝纫线缝合成为一体结构。

设计一个两层结构的背包，背包外层为四边可拆卸魔术贴结构，未被使用的产品经过折叠后放置在背包外层，并用魔术贴贴合固定。背包里层放置聚氨酯发泡罐，背包两层结构通过导管孔洞接通。超高分子量聚乙烯布层接入聚氨酯发泡剂注射导管，在纺粘非织造布层外侧放置一个尼龙面料或氯丁橡胶材质的可充气水囊，往里面充入二氧化碳气体和水，振荡后水囊内部产生气压，并将聚氨酯发泡剂与水囊的阀门通过拉环连接。

图2生产流程图

2.3 产品结构与性能特点

产品以超高分子聚乙烯纤维布和玻璃纤维绳的网状加筋结构为主体，中间层由速干水泥充分渗透的两层纵横向交叉放置的热风蓬松棉组成并被最外层纺粘布包裹，通过玻璃纤维将三层材料进行结合，形成多层复合一体式结构。未使用时产品为柔性可折叠方形布块，能够在最大限度下对其进行多次折叠节省空间，并置于背包外层的魔术贴结构中。

在使用时可拉下拉环使聚氨酯发泡剂迅速喷出充斥超强聚乙烯层内部，并打开气阀使水囊里面的水随着气体迅速喷出浸湿水泥层。在背包外层受压，聚氨酯膨胀，水囊气压释放三个过程的共同作用下，水泥颗粒润湿固化与聚氨酯发泡同时进行，达到快速均匀凝固的目的。与此同时，外层魔术贴因受到压力过大而被胀开，使得产品迅速展开覆盖人体。

（a）概念设计图

（b）护盾各层结构图

（c）完整产品结构图图3 产品模型图

其中超高分子聚乙烯纤维布采用平纹组织，使得织物的纵横向差异小，更加的稳定，同时具有高强度耐撕裂性能、低密度、重量轻和良好的耐用性等。玻璃纤维机械强度高，聚氨酯泡沫层发泡均匀、孔隙分布量大，玻璃纤维绳的加筋使得聚氨酯泡沫与玻璃纤维绳组成极强的稳定结构，使得产品能够拥有更好的力学性能。

除此之外，通过水囊的气压喷水效果对速干水泥颗粒润湿固化，又伴随着聚氨酯发泡的固化反应，能够对整个产品的作用速度得到一个质的飞跃，成型迅速的同时又有一定的质量保证。

成型之后具有多重防护一体化结构。最外层的水泥层能够阻挡炮弹的大部分爆炸冲击，超高分子量聚乙烯层具有高强度、耐撕裂、高抗张、高拉力的性能，能够减轻炮弹冲击力，有效阻止弹头或弹片的钻入；聚氨酯泡沫层发泡均匀绵密，能够作为缓冲层化解弹片撞击人体时的力量，贴合人体结构，在缓冲剩余冲击力的同时能够最大限度地减少对人体的伤害。

相关力学性能测试：

（1）超高分子量聚乙烯机织布

计算获得6 mm织布在100 g炸药量、100 mm爆距下各层的织布内能随时间的变化曲线，对各层织布吸能进行了求和，得到织布能量吸收能力和内能变化规律，图4为织布吸能情况。

图4 超高分子量聚乙烯机织布吸能图

从图4可以看出，超高分子量聚乙烯机织布在0.05ms左右开始吸能，此刻冲击波到达织布，然后内能迅速增大，大约在0.2ms左右达到内能峰值,对于UHMWPE织布达到峰值后出现小幅下降并很快稳定在160J左右状态，结果表明，UHMWPE织布层在能量吸收方面能力突出，对于爆炸能量的耗散起到了关键作用。

图5 UHMWPE/聚氨酯夹心复合材料冲击载荷—位移曲线

沿织物纵向与横向分别进行拉伸，UHNIWPE /聚氨酯夹芯复合材料拉伸曲线在加载初始阶段呈线性状态；当载荷达到峰值时，材料发生破坏，载荷下降曲线在下降过程中会出现载荷逐渐降低直至载荷为零。这是由于在拉伸过程中，平纹织物的断裂伸长率小，所以织物面会首先承受较大的拉力，当织物被拉断后，载荷迅速转移至芯材聚氨醋上，此时载荷下降,由于聚氨酯当中存在较多的泡孔，泡孔失效导致载荷逐渐降低。

图6 0.5g/cm3增强泡沫塑料和普通泡沫应力—应变曲线

从图6中可以看出，密度较高的泡沫塑料增强后，应力一应变曲线形状发生变化，即增强泡沫塑料具有不同于普通泡沫塑料的变形规律。在密度较高的泡沫塑料中引入玻璃纤维后确实提高了泡沫塑料的压缩弹性模量和强度，产生这些结果的原因可以归结为较高弹性模量和强度的玻璃纤维的加入，这些纤维在小应变压缩时承受了较大荷载，因此提高了泡沫塑料变形起始阶段的压缩模量和强度。

应用领域

3.1 防投弹

一些防空系统难以应对无人机的投弹攻击，在敌后纵深作战有着无可比拟的优势，特别是在空旷无掩体地带，作战士兵一但被无人机锁定投弹，其生存几率微乎及微。为了能够在投弹轰炸中增加士兵的生存能力，本产品可以在投弹攻击下迅速形成一个防护结构，能够大幅度地保护士兵的安全，同时因其轻便、稳定，可以适应绝大部分的战场环境，方便运输和士兵随身携带。

3.2 防弹片

最外层水泥层和超高分子量聚乙烯布具有高强度和高硬度，能够有效阻止弹头或弹片的钻入，聚氨酯泡沫层发泡均匀绵密，能够作为缓冲层化解弹片撞击人体时的力量，有效地保护人体不受弹片冲击的伤害。

3.3 防冲击波

成型之后具有多重防护一体化结构，最外层的水泥层能够阻挡大部分冲击波，超高分子量聚乙烯层具有高强度、耐撕裂的性能，能够一定程度上减轻炮弹冲击力，聚氨酯泡沫层发泡均匀、孔隙分布量大，具有缓冲功能，能够缓解冲击波所带来的冲击力。

4作品的创新点

4.1 聚氨酯发泡技术

聚氨酯泡沫从发泡剂中挤出时具有较高的初速度且粘度较低便于流动，且聚氨酯泡沫可以通过控制泡沫成型过程中的条件来实现不同的形状和尺寸。该技术可以适应人体结构，形成贴合人体的防护结构。且内置的聚氨酯发泡剂成型快，瓶中具有一定压力，当物料从气雾罐中喷出时，沫状的聚氨酯物料会迅速膨胀并与空气或接触到的基体中的水分发生固化反应，使产品快速成型。能够在战场上快速形成聚氨酯泡沫防护结构，大大提高了士兵在投弹轰炸环境下的生存能力。

图7 聚氨酯发泡过程

4.2 超高分子量聚乙烯机织布的空腔加筋结构

本产品通过利用玻璃纤维作为增强材料，加工性好，可采取各种加工方式进行成型，对超高分子聚乙烯布进行增强，使产品具有较高的强度，支撑性能好。同时，UHMWPE 织布层在能量吸收方面能力突出，对于爆炸能量的耗散起到了关键作用。这种加筋结构能够在高温高压环境下保持较好的强度和刚度，能够使本产品在空中投弹打击下对士兵的保护作用大大增强。

4.3 增强聚氨酯泡沫结构

在聚氨酯发泡后，在密度较高的泡沫塑料中引入较高弹性模量和强度的玻璃纤维后提高了泡沫塑料的压缩弹性模量和强度，这些纤维在小应变压缩时承受了较大荷载。这种增强结构能够极大地抵御投弹所带来的爆炸冲击，为士兵的生存提供保障。

4.4 UHMWPE/聚氨酯夹心复合材料

在超高分子量聚乙烯机织布空腔结构中注入聚氨酯泡沫，在其固化后承受投弹爆炸冲击时，由于平纹织物的断裂伸长率小，织物面会首先承受较大的冲击力，当织物被拉断后，载荷迅速转移至芯材聚氨醋上，此时载荷下降,由于聚氨酯当中存在较多的泡孔，能够将剩余冲击抵挡殆尽，同时也对人体也有一定缓冲效果，减少冲击波对人体的伤害。

4.5 热风蓬松棉速干水泥层结构

速干水泥高频振荡后充斥热风蓬松棉内部，在未使用时能够随着其他结构一同折叠，在经过水分浸湿后速干水泥快速凝固，伴随着主体结构的展开，能够在外层快速形成坚固水泥层阻挡投弹爆炸伤害，防投弹性能提高的同时，也为士兵人身安全提供了有力保障。

4.6 成型快速稳定

在使用时拉下拉环使聚氨酯发泡剂迅速喷出，并打开气阀，使水囊里面的水随着气体迅速喷出浸湿水泥层，水泥颗粒润湿固化与聚氨酯发泡同时进行，从而达到快速均匀凝固的目的。与此同时，外层魔术贴因受到压力过大而被胀开，使得产品迅速展开覆盖人体。

4.7 多重防护一体化结构

产品以超高分子聚乙烯纤维布和玻璃纤维绳的网状加筋结构为主体，中间层采用两层纵横向交叉放置的热风蓬松棉，速干水泥粉末经过高频振荡使其充斥于蓬松棉之中，与主体部分用玻璃纤维上下交替穿插结合为一体。最外层用纺粘布将中间层材料包裹，与最里层的超高分子量聚乙烯布通过超高分子量聚乙烯缝纫线缝合形成多层复合一体式结构。

成型之后具有多重防护一体化结构。最外层的水泥层能够阻挡炮弹的大部分爆炸冲击，超高分子量聚乙烯层具有高强度、耐撕裂的性能，能够减轻炮弹冲击力，聚氨酯泡沫层贴合人体结构，在缓冲剩余冲击力的同时能够最大限度地减少对人体的伤害。

4.8 携带轻便，成本较低

产品由多层非织造织物和纺织织物制成，为方块状结构，其结构易折叠，便于运输和储存，空间利用率高。由于超高分子聚乙烯布和玻璃纤维有较良好的轻质化特性，对于士兵的减负作用明显，利于维持士兵在战场上的机动性。所采用的超高分子量聚乙烯纤维和玻璃纤维和聚氨酯发泡剂等材料成本较低，可大量制备，进而提高军队的物资保障，降低不必要的军费支出和战争成本。

5. 作品实物照片