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        美研究员研制新型材质防弹衣

        作者:中泰公司来源:文章源自网络 浏览次数: 日期:2019年6月18日 14:43

          美国空军研究人员近日将防弹衣(凯夫拉纤维)和剪切增稠液体(玉米淀粉等非牛顿流体物质)进行结合,并压制成厚度为四分之一英寸(6.35毫米)的薄层,成功抵御了9毫米口径手枪和44个大酒瓶的多次射击与撞击。

         

        防弹衣

         

          研究人员通过尝试将几种不同成分进行组合,最终得出精确的剪切增稠流体公式,并得出了用弹道纤维对剪切增稠流体进行分层的正确方法。这种类似黑色果胶的物质很黏,很软,但在敲击时就像钢铁一样硬。

         

          这种物质若用作防弹衣,可使平均重量26磅(11.8千克)的士兵防护服的重量减轻三分之二;此外,该物质还可用于军用飞机、坦克和其他车辆的厚金属板。

          

          剪切增稠液(液体盔甲) --收集资料仅供参考

         

          有这样一种液体叫做剪切增稠液体(STF),当它遇到机械应力或者剪切时,就会变得如同固体一般坚硬。换句话说,在没有外力作用前,它像液体一样流动,但在被其他物体强烈的撞击或者摇动后,它会在几毫秒内变硬。与剪切增稠物质相反的是油漆,当它被用力摇动或者搅拌时会变的更稀薄。

         

          用同等分量的玉米淀粉和水做一个小实验,您可以看到类似于剪切增稠的效果。如果您缓慢的搅动,玉米淀粉会像液体一样移动。但是当您用力敲击它,它的表面会突然变坚固。您也能把它捏成球状,但是,当您停止施加压力,小球就破碎了。

         

          现在让我们来看这一过程是如何进行的。剪切增稠液体是胶质的,一种非常微小的粒子悬浮在液体中。这种粒子相互之间有轻微的排斥,因此它们可以轻易的穿过液体,而不是结成块或者沉淀在底部。但是当突然的重压超过了这种排斥力的时候,它们开始团结起来,形成水冷集群。当外部能量消散,粒子之间又开始重新排斥,水冷集群也散开,然后固体恢复成了液体。用这种液体可以制造能够防弹的液体防弹衣。液体防弹衣都没有一个可见的液体层,只是将防弹纤维浸泡在这种液体中。受到撞击前,剪切增稠液体的粒子在平衡状态,受到撞击后,它们凝结成块,形成固定结构。

         

          这种在防弹衣中使用的液体是由悬浮在聚乙二醇中的二氧化硅——沙子和石英中的一种成分——粒子制成。聚乙二醇是一种聚合物,通常用于轻泻剂和润滑剂中。二氧化硅粒子的直径只有几毫微米,许多报道将这种液体描绘为纳米技术的一种形式。

         

          用剪切增稠液体制作防弹衣时,研究人员首先用酒精稀释液体,然后,他们将凯夫拉纤维泡在稀释后的液体中,再放进烤箱中蒸发掉酒精。这样剪切增稠物质就渗入了凯夫拉纤维中了,而纤维也适时的固定住这种充满粒子的液体。当一个物体敲击凯夫拉纤维时,液体会立刻变硬,让凯夫拉纤维更牢固。变硬只是几毫秒内的事,很快,这件防弹衣又变得柔韧了。

         

          在实验室测试中,加入了剪切增稠物质的凯夫拉纤维非常柔软平滑,不同的是它变得更强大。使用剪切增稠液体的防弹衣只需要较少的夹层,4层加了剪切增稠液体的凯夫拉防弹衣能够起到与14层普通凯夫拉纤维同样的作用。此外,加了剪切增稠液体的纤维没有普通纤维在冲击时伸展的更长,这就意味着子弹也不会像射入普通纤维时穿透的那么深。研究人员认为,这是因为子弹要用更多的能量作用于剪切增稠液体纤维的伸展。

         

          慢刀能穿透盾牌

         

          剪切增稠液体防弹衣在科幻世界中有一个可与其匹敌的对手。在弗兰克•赫伯特(Frank Herbert) 的科幻小说《沙丘》中,一种叫做霍尔茨曼发生器的装置可以制造只有缓慢运动的物体才能够穿透的防护盾。同样的,缓慢移动的物体也可以穿过剪切增稠液体,而不使其变得坚硬。在低速或准静态下的试验中,小刀即可以穿透普通防弹衣,也能穿透剪切增稠液体防弹衣,只是剪切增稠液体防弹衣受到的破坏较少,可能是因为液体使纤维凝结起来的缘故。

         

          简介

         

          剪切增稠液体(Shear Thickening Fluid)(STF)中的纳米球形颗粒是自然界中最坚硬的非金属材料之一,是21世纪初在美英兴起并在中国进一步发展的一种新型防护材料,它平时呈现柔韧性,而在受到冲击时呈现坚固性。在一定程度上,剪切增稠液体调和了装备的防护性能和舒适性之间的矛盾,使得两者间和谐共存,是能将人体自由活动与碰撞打击保护结合在一起的首选材料。剪切增稠液体的特性,决定了其非常适合在防护装备特别是排爆搜爆装备中应用。

         

          原理

         

          “剪切增稠液”中自由悬浮着许多特殊粒子。当液体因为剧烈冲击而被搅乱时,其中的特殊粒子相互碰撞,形成了对这种搅动的抵抗力。当搅动力足够大时,这些粒子其实就已被相互“锁定”。当子弹高速撞击这种材料时,“剪切增稠液”防弹衣就会吸引撞击能量,并迅速变得极其坚硬。

         

          试验发现

         

          当慢速搅动容器中的剪切增稠液时,最初会感到轻微的抵抗力。搅动得越快,抵抗力越大。

         

          在日常生活中也能见到类似的剪切增稠现象。比如,当人们在沙滩上享受美好阳光的同时,在合适的条件下,脚下潮湿的沙子也有类似剪切增稠的现象:当快速跑过沙滩时,只留下了脚印;但当站在沙滩上不动时,身体则会慢慢的下陷。如果自己作试验,可找一个容器,最好是透明的,用淀粉和水混合,搅拌均匀,放置30min。在此期间淀粉会沉淀在容器的底部,等到沉淀物上方液体澄清后将水倒掉;剩下的物质就具有剪切增稠特性,如果用手指或筷子慢慢插入,感觉不到太大的阻力;但快速插入或搅拌时,则会感觉到有很大的阻力。当用细棒轻轻搅拌杯子里的液体时,发现它跟普通的液体没什么两样,但一旦加快搅拌的速度和力度,就会发现它越来越黏稠;慢慢提起细棒时很轻松,但猛地提起时,杯子连同杯子中的液体就会一起被提起。

         

          防护原理

         

          将极其细小的纳米球形微粒(如SiO2坚球形微粒)混入到不挥发、流动性好的无毒液体中,形成悬浮液或凝胶。这种流动性很强的液体和坚硬的微粒结合后,即能形成性能非比寻常的剪切增稠液体。这种新型液态材料平时非常容易变形,纳米级硬质粒子呈悬浮状态;然而,一旦受到冲击,在碰撞点原先呈悬浮状态的硬质纳米粒子便会骤然聚集成微粒簇,从而使剪切增稠液体在瞬间变得十分坚硬,阻止致命冲击对人体的伤害。

         

          优势

         

          STF调和了防护性能和舒适性之间的矛盾,最关键的是,它还代表着防护装备和防身装备背后蕴含的设计理念上的巨大改变。例如液体防弹衣和液体防刺服,平时当人们穿着它行动时,数以亿计的柔软”细胞”就会跟着运动,不会限制人体的动作,甚至还能轻松自由地跑跳、翻滚、踢球;而在人体需要保护的那一刻,它却变得异常坚韧。用STF制造的连体服装,可以保护人体需要防护的任何部位,无论人体如何弯曲,防护性能都不会受损。

         

          应用

         

          利用这种具有剪切增稠特性的液体制作多种人体防护装备, 这些防护服装和服饰主要是用来防止和减少运动物体的冲击、穿刺、切割、撕裂、拉伸所带来的伤害和损害,拥有防冲击、防破片、防刃刺、防锥刺、防针刺、防切割、防砍、防砸、防链锯切割和防飞溅等功能。这些STF防刺服、防割服和防刀衣具有优异的性能指标,是用芳纶1414(如凯芙拉Kevlar或Twaron)、高强度高密度聚乙烯、PBO等纤维制造的织物和非织造物经过浸渍、涂覆STF液体或凝胶制成。不同的织物材料,使用不同型号颜色的STF液体,即可制成具有不同性能指标的防护材料。通过设计不同防护复合结构,可实现各种材料的优势互补,达到一加一大于二的效果。

         

          防护服

         

          STF防护服平时穿用非常柔软舒适,一旦遭到砍刀、匕首等利物砍、刺,破片冲击,就在受到冲击的瞬间变得坚韧无比,而且能将冲击力沿织物迅速分散开来,大大降低单位面积的压强。当冲击力消失之后,剪切增稠液又恢复液体状态,织物也重新变软。

         

          防弹衣

         

          英国BAE系统公司研制一种液体防弹衣。这一具有革命性的发明采用一种名为“剪切增稠液”的液体,该液体在受到子弹冲击时会变硬从而起到阻挡子弹的作用。新型液体防弹衣可以为士兵提供史无前例的有效保护,同时又能保证他们自由灵活地运动,不再受到笨重的传统防弹衣的限制。“剪切增稠液”还可以喷涂于两层凯夫拉尔之间,制成超强超薄防弹衣。本来,凯夫拉尔材料的强度就是钢铁的五倍,因此它也被认为是标准的防弹衣材料。现在,这种新型超强超薄防弹衣比普通的防弹衣要薄得多,而重量只相当于普通的一半。[3] 减少子弹对人体的伤害。

         

          以上资料仅供参考

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