神奇的非牛顿流体材料——从淀粉糊到防弹衣

时间：2024/02/28　　点击量：

　　武侠电影里常常出现轻功“水上漂”的场景，具有此功法的人在水面上奔跑，如履地。而在现实中，在水上奔跑却很难实现。那么有什么方法能实现“水上漂”吗？

　　上图中是一个人在装满淀粉糊（淀粉与水的混合液体）中奔跑的快照。当站在液体上面时，人会像沉入水中一样沉入其中；但当人快速奔跑时，踩踏处会瞬间变得如固体一样坚硬，支撑住人体的重量；当脚步离开时，踩踏的地方又重新变回液体，如此往复，从而轻松实现“水上漂”。

　　那么什么是非牛顿流体，它为何有如此神奇的能力？简单地说，非牛顿流体是一类流体的总称，世界上除了牛顿流体就是非牛顿流体，水、空气等都属于牛顿流体，它们的特点是粘度是不变的，正式一点说法是其剪应力与剪切应变率之间是线性关系；而像牛奶、沥青以及淀粉糊等都属于非牛顿流体，它们的特点是剪应力与剪切应变率之间呈非线性关系，也就是粘度是变化的。

　　但并不是所有的非牛顿流体都能实现“水上漂”。非牛顿流体里有一类“特别的存在”，它们遇强则强、遇弱则弱，当受到外界击打、冲击的时候，会变得“顽强”起来，表现出很强的抵抗力，甚至会变得像固体一样坚硬；而当外界的击打、冲击消失或者轻轻触碰的时候，它们又变成了流体，国际上将这类非牛顿流体材料称为“剪切增稠液体”，英文名称叫做STF（shear thickening fluid），淀粉糊就是属于非牛顿流体中的剪切增稠流体。

　　利用剪切增稠特性可以制成柔性防弹衣，这种具有科幻感的“液体盔甲”不仅可以像传统硬质防弹衣防弹一样防弹，还克服了传统防弹衣坚硬、沉重的特点，平时穿戴舒适柔软，一旦受到子弹冲击时，着弹位置附近会立即自动进行强化，当冲击消失，强化部位重新变为液体。当然，与防弹衣结合的剪切增稠流体肯定不是淀粉糊，这是因为淀粉糊自身易腐、易变性、增稠能力较弱且性状不稳定。专业领域一般采用的剪切增稠液体是采用二氧化硅微颗粒分散在聚合物溶液中形成的悬浮液。2003年，美国特拉华大学Wagner教授领导的课题组开创性地将STF浸入芳纶Kevlar纤维织物中从而开发出一种新的防弹复合材料并制备出STF增强的防弹衣，软体防弹衣越来越受到关注。在国内，中国科学院力学研究所、中国科学技术大学以及北京理工大学等单位对于剪切增稠材料的研究也取得了大量的成果。中国科学院力学研究所团队于2018年在国际期刊Smart Materials and Structures上发表文章指出，剪切增稠液体对于冲击及其后续的振动具有神奇的智能效应，具备物理滤波器的效用，能够对在高速冲击下的电子器件起到很好的保护作用。从微观机理上讲，剪切增稠液体在承受冲击力的时候，细微的二氧化硅颗粒会聚在一起“抱团取暖”，形成团簇效应，粘度急剧上升，从而获得强大的抵抗力。但从本质上来说，这中间发生的是一种物理的变化。然而，这种基于颗粒体系的液态防弹衣存在一个比较大的缺陷，就是在长时间放置后其中颗粒物质会发生结块变性，降低防弹效果，因此并没有被大规模配发。

　　还有一类材料在承受冲击载荷时会发生化学键变化的材料，叫做“剪切硬化胶”，与STF相比，剪切硬化胶不仅表现出优异的柔韧性和抗冲击性，而且还具有比STF更为优异的热稳定性和可塑性（流动性较弱），实际应用更为方便。在自然状态或低速冲击下，剪切硬化胶处于松弛、柔软的粘流态，表现出优异的柔韧性。随着外部冲击载荷（或频率）的增大，剪切硬化胶能够发生从粘流态到高弹态，甚至玻璃态的相变，宏观行为表现为模量的急剧增大，因而能够更好的抵抗冲击变形并吸收冲击能量。当冲击载荷消失后，剪切硬化胶不仅能够恢复至最初的粘流态，而且还能在断裂破碎后重新粘结，表现出优异的自修复特性。

　　剪切硬化胶国际上比较通行的配方是采用一类聚合物材料聚硼硅氧烷，类似于生活中常见的橡皮泥。依靠微观层面的硼原子与氧原子构成的硼氧键的断裂速度迟滞效应，在自然状态下非常柔软，而在承受冲击时，硼氧键会提供非常强的抵抗力，而且冲击载荷越强，抵抗力越大。

　　英国工程师Richard于1999年发明了“遇软则软，遇硬则硬”的D3O材料就属于剪切硬化胶体系的抗冲击材料，在常态下很柔软且具有弹性，一旦遇到高速的冲击或挤压，分子链立刻相互锁定，材料变得坚硬从而消耗外力。当外力消失后，材料会恢复到最初的柔性态。由于其出色的抗冲击性能和优异的柔韧性，D3O已经被广泛用于冲击防护领域。由D3O材料制成的护具比传统护具更为轻巧，并且与防护部位贴合感更好，是一种可以将自由活动与碰撞打击保护结合在一起的理想材料。然而，在低温环境下，D3O材料容易硬化，其舒适性和冲击防护性能会大幅降低，从而严重影响人体的防护效能。

　　此外，一种基于微结构的单分散空心微球也展现出较好冲击强化特性。其基本原理就是让冲击源与被保护物体之间形成空心层，大幅衰减冲击波的强度。这类材料一般采用滤液合成法等方法来合成单分散的功能性纳米/微米聚合物微球，制备的聚合物颗粒粒径在数百纳米到数微米之间，微球表面可带有不同功能基团。

　　可以看到，这类具有剪切增稠效应或者冲击硬化效应材料有很多种，有颗粒悬浮液，有聚合物材料，有微球结构。这些材料发挥剪切增稠作用或者冲击硬化作用的基团有的在颗粒层面，有的在分子，有的在原子层面，也有的依靠微结构特性。但所有上述材料有一个共同的特点，就是一般不能单独作为工程材料使用，都需要与其他材料进行有机结合，才能够在最大程度上发挥其抗冲击特性。换句话说，影响这类材料工程化的最主要瓶颈就是如何有效的提取这类材料中的有效抗冲击组分，并与现有的工程材料进行有机注入，形成全新的抗冲击工程材料。

　　中国科学院力学研究所团队创新性提出柔性智能抗冲击材料因子这一概念，英文名FIAM（FlexibleIntelligentAnti-impactMaterial），简称FIAM因子，是指上述这一类在介观-微观尺度具备应变率增强特征，并可以通过微结构、分子和原子等不同层面与传统工程材料结合，在不改变材料初始性状的条件下，提升对外部冲击载荷的智能响应能力的功能性单元。

　　我们可以把这一过程叫做FIAM因子定向赋能的工艺，其基本流程是对多种上述冲击增强材料中具备智能抗冲击的有效组分进行提取形成备选因子，再根据不同的冲击条件（子弹冲击、人体跌倒、屏幕冲击等冲击条件具有很大的区别）进行反向设计，选择符合要求的因子注入到传统材料当中，形成兼具可靠性和抗冲击性能的新型防护材料。

　　FIAM因子种类繁多，按照物理状态不同，可以分为溶液型、凝胶型和固态型；按照物化特性的不同，FIAM因子可以分为水性和油性；按照透光度的不同，FIAM因子可以分为高透型、半透型，而从应用场景上又可分为光学材料因子、橡胶材料因子及泡沫材料因子等。

　　中国科学院力学研究所团队在国际上在2021年首次验证了剪切增稠胶体材料在降低防弹衣弹击后钝性伤害具有明显效果。之后经过2年的攻关，成功的从剪切增稠胶体中提取出FIAM-S03因子抗冲击因子，并成功将其注入到EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）材料当中形成独特的抗冲击胞元结构，但在宏观上完全不改变传统EVA的基本物性。利用这种材料并辅助“刚柔并济”的多层复合结构，可大幅降低子弹冲击对诸如心脏等人体器官产生的钝性伤害，实现了柔性智能抗冲击防护技术的创新性变革。

　　FIAM因子在军事领域不仅可以用于防弹衣的研制，还可以用于提高军用电子元器件的抗振性能等方面，中国科学院力学研究所团队研发出FIAM-G06智能抗冲击因子，对EP（环氧树脂）材料进行赋能设计，在国防某重大专项支持下，形成了超强振动抑制特性的IMECAM智能柔性电子灌封胶，相关成果获得权威机构的专业检测和认证。结果表明，IMECAM智能柔性电子灌封胶具有非常优异的抗冲击振动性能，最高能将电子元器件冲击信噪比提升20倍。该产品已经成功应用在多款导弹、火箭等关键电子器件的防护结构上，实现重大技术成果市场化转化。

　　FIAM因子还可下沉到民用领域，赋能动力电池、运动健身及柔性显示等领域。最新的实验结果表明，采用FIAM因子注入技术形成的灌封胶体系，能够提升电动汽车底盘的抗撞击性能，从而有效降低汽车碰撞时电池受损的概率，提升整车安全性。

　　面向运动健身领域，适用于低冲击环境的FIAM-S04因子，注入传统的TPE（热塑性弹性体）材料当中，形成了一款集舒适、柔软、回弹、静音于一体的新型瑜ISHELTER伽垫产品。测试结果表明，这种瑜伽垫能够显著降低在进行大幅瑜伽动作时对膝部、肘部产生的压力，从而有效避免对人体关节造成的疲劳损伤。该产品连续两年登陆亚洲最大的户外展ISPO 运动用品与时尚展，受到瑜伽爱好者的广泛好评。

　　现阶段，FIAM因子赋能技术已经延伸到柔性显式领域。OLED柔性显示模组抗冲击性能弱一直是制约柔性显示器件大范围应用的一个关键问题，而在改善显示组件抗冲击性能方面面临着前所未有的挑战既要提升抗冲击性能，也要确保材料的高透光度。FIAM因子注入到显示模组的各层材料当中能够根据应用需求和力学场景，满足不同的光学和防护等性能需求，将大幅提升显示组件抗冲击性能，具有光明的应用前景。

　　从“水上漂”的“淀粉糊”，再到“液体盔甲”的柔性防弹衣，剪切增稠材料一直是近年来国内外研究前沿热点之一，国内外经过长期的研究，获得了大量经验和成果。而在工程化方面，我国已经拥有粉末、固态和液态多种形态的FIAM因子，针对不同应用场景应用在包括防弹衣在内的灌封胶、动力电池、柔性显示模组、运动健康等广泛领域。

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