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[科技周專題]神奇的液體—液體防彈衣、防刺服
  目前,一種新型液體防彈衣的出現震動了防彈領域,它被認為是一種革命性的技術突破。這種液體防彈材料正常狀態下呈現為液體(如圖1所示),在高速沖擊下,瞬間由液相轉變為固相,呈現出固體的抗沖擊性能,沖擊力消除之后,又迅速從固相轉變為液相,可實現防彈、防刺、減震等作用。在國際上這種新型液體防彈衣最先由英國和美國兩國研制成功并已計劃裝備部隊,近日波蘭和韓國也宣布研制成功,我國在液體防彈裝備方面尚處在研究階段,近期也取得了一些大的進展。


圖1液體防彈材料     圖2添加了液體防彈材料的凱夫拉纖維

  研制這種新型防彈衣的英國BAE公司的研發人員將這種液體材料灌輸至美國杜邦公司生產的多層凱夫拉(Kevlar)纖維中間,然后用這種復合材料制作成新型防彈衣芯片(如圖2所示)。凱夫拉纖維是目前世界公認的制作防彈衣的最佳材料之一,一件普通防彈衣一般由數十層凱夫拉纖維和陶瓷板材構成,其堅韌度是鋼鐵的5倍多。不過由于它過于沉重,穿戴者的行動受到很大限制。液體防彈衣的重量僅有普通防彈衣的一半,因此它更輕便、更實用。

  液體防彈衣的主要成分是一種特制的“剪切增稠液體” (Shear Thickening Fluid,簡稱STF),正常情況下STF就像其他液體一樣,很柔軟,可以變形。一旦彈片或彈頭觸到它,這種液體就能瞬間轉變成一種硬質材料,阻止彈體穿過。研究者還進行了對比性防彈試驗,他們用一把9毫米口徑的手槍首先射擊一塊由31層凱夫拉纖維組成的材料,再用同一把手槍射擊一塊由10層凱夫拉纖維和上述液體構成的材料,如圖3所示。結果顯示,當子彈撞擊到液體防彈衣時它的沖擊力馬上被分散,破壞力大大降低。很多士兵之所以殞命戰場或身受重傷就是因為他們穿的防彈衣沒有這種功能,當子彈的沖擊力集中在一個點或者一個很小的區域時,其穿透力是很強的。而且STF是一種新型納米智能材料,無毒、無污染,不易燃易爆,還可以回收,是一種非常環保的產品。


圖3普通防彈衣與新型液體防彈衣的對比示意圖

  防彈衣的發展曾經經歷了由金屬裝甲防護板向非金屬合成材料的過渡,實現了由硬質到軟質的重大變革。目前防彈衣的主要材料是芳綸纖維(如凱夫拉)或超高分子量聚乙烯纖維。完全用凱夫拉纖維或超高分子量聚乙烯纖維制作的軟質輕便人體裝甲,舒適性較好,但只能防小威力手槍,如果要抵抗大威力槍彈,往往需要增加硬質凱夫拉、硬質超高分量量聚乙烯或陶瓷防彈插板,但這些堅硬的防彈插板很難有舒適性可言。而且隨著時間的推移,占領防護材料市場幾乎全部江山的芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維的性能被不斷挖掘、提高到極致,產品的發展已進入瓶頸期,市場上對利用新型防護材料制作更安全可靠、先進輕質防護產品的呼聲越來越高。


  眾所周知,傳統的防彈衣根本無法保護軍警的許多關鍵部位,如手臂、頸部、腿部和肘部,因為這些部位需要經常活動和彎曲。目前的防彈衣,也稱防彈背心,不但厚重,而且比較堅硬的,不便用來制造需要彎曲折疊的褲子和袖子,因此只能護住軀干部分。而利用“剪切增稠液體”處理升級的新型防彈衣可以做到全身防護,其柔軟堅韌,可以制造連袖子帶褲腿的全套衣服,保護軍警的任何部位(如圖4所示),無論人的身體如何彎曲防彈衣的防護性能都不會受損,這才是真正的防彈衣。





  這種剪切增稠液體為什么會有這樣神奇的效果呢?

  現在讓我們來看這一過程是如何進行的。這種在防彈衣中使用的液體是由懸浮在聚乙二醇中的硬質納米級二氧化硅粒子制成。這種粒子相互之間有輕微的排斥,因此它們可以輕易的穿過液體,而不是結成塊或者沉淀在底部。但是當突然的重壓超過了這種排斥力的時候,它們開始團結起來,形成水冷集群。當外部能量消散,粒子之間又開始重新排斥,水冷集群也散開,然后固體恢復成了液體。

  這種液體防彈衣的防彈效果顯然是讓人滿意的。在實驗室測試中,加入了剪切增稠液體的凱夫拉纖維非常柔軟平滑,不同的是它變得更強大。使用剪切增稠液體的防彈衣只需要較少的夾層,4層加了剪切增稠液體的凱夫拉防彈衣能夠起到與14層普通凱夫拉纖維同樣的作用。此外,加了剪切增稠液體的纖維比普通纖維在沖擊時伸展的長度要短,這就意味著子彈也不會像射入普通纖維時穿透的那么深。研究人員認為,這是因為子彈要用更多的能量作用于剪切增稠液體纖維的伸展。
含有STF的防彈衣使用也很方便,與傳統防彈衣一樣可以用水浸泡、折疊或縫制。利用STF制造的新型防彈衣,平時柔軟舒適,一旦遭到刀等利物砍、刺,或高速子彈、彈片沖擊,就在受到沖擊的瞬間變得堅韌無比,而且能將沖擊力沿織物迅速分散開來,大大降低單位面積的壓強。當沖擊力消失之后,“剪切增稠液體”又恢復液體狀態,織物也重新變軟。
液體防彈將給防護領域帶來怎樣的變化呢?

  “誰掌握了新材料,誰就掌握了未來”!無數事實表明,歷史上每一次重大新技術的發現和某種新產品的研制成功,都往往依賴于新材料的發現和應用,可以說世界高新技術的競爭就是新材料的競爭。任何一個新的裝備系統,離開了新材料的支撐都將無法研制出來。液體防彈材料的研制成功將給防護領域帶來質的飛越。

  液體防彈衣的首要特點就是更為靈活輕巧,不會影響機動中單兵的任何戰術動作。利用液體防彈材料處理的新型防彈衣柔軟而堅韌,可以制造連袖子帶褲子的全身防護服,保護人體任何部位,無論身體如何彎曲,防彈衣的防護性能都不會受損,而且防護性能和防刺傷能力比普通防彈材料大幅提高,重量減少,質地更柔軟、可折疊。液體防彈材料可以用于制造防護服、汽車裝甲、頭盔和手套,不但能夠為軍人和警察提供保護,也能為任何危險行業,如礦工、建筑工人等提供更舒適的工作服。除了具備防彈、防刺作用外,還有一個重要用途是減震器。利用液體防彈材料在承受沖擊力時,從液相逐漸轉變為固相的過程中吸收沖擊能量,達到緩沖、減震的目的。輕質液體防彈材料可成為運送彈藥的箱具、防爆器材的理想制作材料。這種新型材料還可以被制成防爆毯,覆蓋在可疑包裹或未爆炸的軍火上,甚至可以用在傘兵靴上,這種靴子在碰撞時可以變硬,從而保護傘兵的腳踝。

  該材料還可廣泛用于國防軍工,滿足尖端武器的研制需要,還可在更廣泛的領域投入應用,包括防護裝備、塑形緩沖、減震器、高速列車、生產機床、土木工程、體育器材等。

  我所中天鋒公司一直持續關注液體防彈材料的研發進程,并已經開展了相關的研究工作。作為一家專業設計、生產制造警用防護裝備的企業,中天鋒一直致力于警用防護裝備的先進性設計與制造,雖然公司不生產材料,但是更專注于不斷創新性使用更高性能的材料,結合現代防護裝備設計理念來持續提升產品的品質!

  由于液體防彈材料的性能不僅與其包含的分散相粒子種類、形狀、粒子直徑密切相關,也與分散介質的特性、濃度密切相關,而國內的STF材料研發機構對于如何將該材料應用于警用裝備防護領域缺乏技術儲備,此外,液體防彈材料的應用還涉及到液體與其他材料的復合、密封、裁剪等難題,這些都是需要做為材料應用商的防護裝備企業來努力解決的技術難題,中天鋒公司已經同國內唯一一家研制成功且可批量生產液體防彈材料的機構建立了排他性唯一合作協議,共同開展液體防護裝備的研發工作。

  可以預言液體防彈裝備一旦在我國研發成功必將引領我國警用安全防護裝備向輕質、柔軟、全防護的方向發展,也必將會極大提升我國軍警防護裝備水平,對我國國防尖端戰略武器的研制能力也將會產生舉足輕重的影響。

  液態防彈衣將開創人體防彈防刺新紀元,對此我們將拭目以待!

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