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防弹玻璃如何能防弹?
2016-10-25 作者:福玛特商城 

  2013年6月份, 有这么一则新闻:杭州到北京一列高铁被鸟撞裂玻璃,导致全体乘客换车。根据资料,此次遭受撞击的高铁前挡风玻璃是“超强防弹减速玻璃,共有6层,包括3层无机玻璃、2层软塑料,以及1层厚度为2~3毫米的防飞溅层。”这些关于玻璃的定义都是什么意思呢?

汽车玻璃:钢化

  现在的普通汽车前挡风玻璃是用钢化玻璃及有机夹层制成,有机夹层是为了在玻璃受到破坏后碎渣仍能粘结在一起,不会对前排座位上的乘客(特别是驾驶人)造成危害。

  这里要注意不要混淆钢化玻璃和玻璃钢的概念:钢化玻璃本质是一种玻璃,而玻璃钢的本质是塑料(纤维强化塑料,常用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂等基体。)。

  钢化玻璃与普通玻璃相比最大的区别在于破裂后碎渣的形态:钢化玻璃破裂后的碎渣几乎都成类似蜂窝状的钝角碎小颗粒,不容易对人造成割伤或划伤;而普通玻璃受到破坏后的碎渣尖锐且锋利,稍不注意就会对人体造成伤害。传说有位同学失恋后很伤心想不开要割腕,在费尽力气砸碎一块钢化玻璃之后发现这货根本割不了血管,心里默默吐槽坑爹的同时放弃了轻生的想法,之后走上了搞玻璃的不归路.

  造成钢化玻璃和普通玻璃巨大差别的原因在于加工工艺不同。从原料到玻璃的过程都相同,而钢化玻璃是将已成形的普通平板玻璃切割成需要的尺寸,再将玻璃加热到接近其软化点(根据成分不同约在500~750℃之间)并进行急冷(类似于锻造金属的淬火过程),这样在玻璃表面形成均匀压应力,而内部则形成张应力。经过这样“钢化”过程处理的玻璃,除了强度得到成倍提升之外,破碎后的碎渣也不会呈刀锋般的尖角。因此钢化玻璃也常作为制作其他玻璃的原片,比如说中空玻璃、夹层玻璃等等。


表面的压应力和内部张应力 图片来源:作者供图

  在钢化玻璃问世之前,汽车挡风玻璃多是普通的平板玻璃,但是在玻璃破碎的时候,前排座位上的人基本上也就毁容了。据说福特公司的创立者就是在遭受这样的毁容之后,化悲愤为动力发明了夹层玻璃造福全球司机。当然这只是个传说,后来看亨利•福特的鲍照也没发现有破相的地方,也许他去过韩国吧。

  虽然夹层玻璃解决了毁容的问题,但是又产生了新的问题:在车辆行驶过程中,特别是高速行驶时,如果突然受到撞击,整块挡风玻璃就像麻花屏一样黏在了驾驶舱前面,根本看不清路了好吗!所以聪明的玻璃工程师又把夹层玻璃里面的夹膜进行了改进——做成蜘蛛网状,这样就算是玻璃裂了也出现像蜘蛛网一样的裂纹,驾驶者也能在保障驾驶视线的情况下将车尽快安全的停下来,这种玻璃就叫做“安全玻璃”。现在的挡风玻璃有超过95%以上都是使用这种结合了夹层和钢化玻璃以及夹膜工艺等等多项技术制成的安全玻璃,以最大限度保护车辆和驾驶者的安全。

  由于钢化玻璃的强度远高于普通玻璃,于是出现之后各大汽车厂商果断给自己的产品用上了这种在当时听起来相当高级的东西,代替原来的普通夹层玻璃,直到有一天,发生车祸了,乘客被困在车内,由于姿势不对打开方式不对种种原因没能及时敲破玻璃逃出去。于是工程师们又一致认为要做出一种既能保证强度又能在必要的时候敲碎的钢化玻璃。没过多久,局部钢化玻璃就出生了,就是如今能在各种公交车、地铁上看到的玻璃,通常在窗户旁边还放了一把安全锤。


能敲碎钢化玻璃的安全锤 图片来源:sina.com.cn

防弹玻璃:夹层

  说到夹层玻璃,其实这货的雏形就是汉堡——通常是两层玻璃中间夹一层透明的有机胶片(常见为PVB,即聚乙烯醇缩丁醛),经热压黏合而成,在遭受较大的冲击或较剧烈的震动时,仅仅出现裂纹,而不会导致粉碎,除了常见的双夹层之外,还有依据特殊需求做成三层、四层甚至更多层的,就像奥尔良与巨无霸的差别。。一些特殊领域的特殊需求直接促进了夹层玻璃的发展,并出现一些衍生品和改良品,比如说本文开头提到的防弹玻璃。

  防弹玻璃是通过对夹层玻璃的制作工艺流程进行改进而生产出的一类具有防弹、防爆等特性的安全玻璃。就如它的名字一样,根据其厚度、制作工艺及夹层的不同,能防护从BB弹到手榴弹甚至威力更大武器的攻击。


防弹玻璃(三层钢化玻璃和两层聚碳酸酯胶结)图片来源:作者供图

  简单的来说,防弹玻璃通常分为三层:承力层、过渡层和防护层。其中承力层是炮灰,即利用其遭受冲击而破裂使弹头变形或破坏弹头,大大减慢弹头的速度,这一层多用高强度的钢化玻璃或有机玻璃。过渡层多为聚碳酸酯纤维,利用过渡层的韧性吸收弹头的部分动能,并且保证前后夹层在破碎后仍能粘结在一起而不发生脱落。防护层和承力层一样常用高强度钢化玻璃或有机玻璃,要求具有较高的强度、抗冲击能力和抗震性,并具有一定的韧性,保证不被子弹或弹片穿透,从而起到安全防护作用。下面这个视频就是某公司老板为了证明自己产品的安全性,坐在防弹玻璃后面让员工用AK47对着自己开枪:

  就如视频中所说的,别在家里尝试这种极其具有献身精神的实验。

  随着安防要求的不断提高,发展出了单向防弹玻璃,即能防护从外侧的射击,同时防卫者从内侧开枪进行还击,子弹将穿过玻璃击中外侧的袭击者。这单向防弹玻璃的原理其实就是将外层使用脆性材料,内层使用韧性材料,其他和普通防弹玻璃相似。这样从外侧飞来的子弹先击中脆性层,动能被吸收,并且被韧性层拦截下来;而从内侧射出的子弹会先击穿韧性层,因为它的能量集中于一个很小的点上,脆性层在韧性层向外扩张时向外碎裂,进而不影响子弹的继续前进。银行里面所使用的防弹玻璃还进行了夹丝处理,即在玻璃内部夹入金属丝,在受到冲击或破损时,金属丝被拉扯或断裂,电流的扰动触发警报装置。

  通常而言,防弹玻璃的防护效果与玻璃总厚度、夹层厚度成正比,其使用的玻璃原片中钢化玻璃的防护效果优于普通平板玻璃。而此次发生事故的高铁所使用的玻璃,除了具有防弹功能外还标称具有减速的效果,那么这种神奇的减速玻璃到底是怎么回事?

减速玻璃:其实是个传说

  其实并没有真正能产生减速效果的玻璃,这是一个流传了将近半个世纪的谣言。解放后全国都搞建设,需要很多卡车司机,后来那些卡车司机开上了小轿车,发现两者的速度感明显不同,以为老外的东西具有减速功能,于是这个谣言流传至今。其实这个谣言很容易破解。

人们之所以觉得现在的玻璃是“减速”玻璃,主要是由于玻璃质量的改进。最早的挡风玻璃使用的是平板玻璃,那个年代浮法生产玻璃还未引入我国(浮法玻璃最早由英国Pilkington于上世纪50年代末发明,我国于1971年开始浮法工业试验),生产出来的玻璃存在许多缺陷,其中由于成分不均或存在杂质导致玻璃内部存在条纹或节瘤,这样会产生较高的光畸变,透过玻璃看外面的景物就会产生变形,那个年代如果家里装了玻璃的人一定记得看外面世界都是扭曲的。这样的玻璃给运动物体叠加了一种由于变形而产生的恍惚,就容易使驾驶员视觉疲劳,让司机觉得速度较快。后来随着玻璃制作工艺的提升,玻璃质量越来越好,而且小车上使用的玻璃普遍好于卡车上的玻璃,这样通过玻璃看外面的景物就有了更高的真实性,甚至会感觉不到玻璃的存在,因此看起来更舒服了,也会有一种减速的错觉存在。

  还有一点让人们觉得现在的玻璃能“减速”是由于视觉误差。通常卡车驾驶席较高,驾驶员可以看到离车头很近的路面;而小车通常有车头,为了美观和减小风阻,前挡玻璃都是倾斜安装的,而且斜度还较大,座位也比较靠后,这样人离车头的距离就远了,只能以比较平的角度看车头前的路面了,驾驶员能看到的路面与所坐的位置有了很大的一段水平距离。驾驶卡车和小车时,视点高度、视野和视角均不同,而人们判断运动知觉的变量不是线速度而是角速度,因此会有不同的速度感。就像月亮绕着地球运动一样,人家一秒钟能跑一千多米,但从地球上看几乎感觉不到它在跑。

  另一个让人们觉得现在的玻璃能“减速”是因为路面的平稳性和车辆的舒适性在路况很差的地方开30km/h都觉得快,在高速上开100km/h都觉得慢。刚解放时很多地方还是泥泞路面,后来才慢慢铺水泥和柏油路面,路况自然是得到了改善,而且小车的减震型比卡车更好,因此给驾驶人的感觉更加平稳,所以对速度的感觉没那么明显。

  同理,用于高铁上的玻璃也不具有减速功能,只不过是由于以上种种因素给乘客和驾驶者一种对速度感的错觉而已。

  任何一种材料都有一个适用范围与受力极限,比如说防手枪弹的玻璃无法抵御榴弹或狙击弹,这很正常,就像你不能指望艾弗森对位姚明一样。既便如此,只要在其安全范围内使用就不会给人带来危害,作为高铁所使用的玻璃也一样——高速运行时,只要保证在遭受设计的上限范围之内的撞击的情况下驾驶人员和乘客的安全就算完成任务了,如果撞上UFO那换了混凝土也无能为力。愤怒的小鸟?它只存在于游戏中。


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