液态防弹衣解析

BAE系统公司提供的一段视频显示，该公司高级技术中心研究人员先后两次通 过实弹射击检测这种材料的实用性，9毫米口径的子弹分别射向10层凯夫拉尔材料 与“剪切增稠液”结合制成的液体防弹衣和31层未使用“剪切增稠液”的凯夫拉尔 防弹衣。结果表明，液体防弹衣被子弹打中后，撞击能量分散区域很宽，这意味着 中弹者被子弹打伤或打死的几率大幅减小，因为子弹的撞击力并非集中于一个较小 区域。
剪切增稠是一种可逆的非牛顿流体行为，常见于高固含量的悬浮分散体系
中，随着剪切速率或剪切应力的提高，体系粘度展现出数量级的增加，这种提 高是不连续的，但此过程是可逆的。当剪切速率较低时，出现剪切变稀：当剪 切速率超过某一临界值是，其粘度激增，剪切强度大幅上升，出现剪切增稠现 象。而当剪切速率或剪切应力下降后，粘度也会立即降低。
但是完全用凯夫拉或高强度聚乙烯纤维制成的软质轻便的防弹衣虽然舒适，
却只能防御民用小威力手枪。如果要抵抗大威力枪弹，往往需要增加硬质凯夫拉或 陶瓷防弹插板（标准陶瓷板防弹衣约重11.3公斤），增加重量的同时减少了舒适性。
2014年在英国伦敦举办的防务产品展上，英国BAE公司展出了一款革命性的 “液态盔甲”，名为“防弹奶黄”，它能通过实时变厚和硬化，来吸收子弹或榴弹 冲力。
度曾是防弹衣的主要组成部分。但是，
真丝在战壕中变质较快，这一缺陷加
上防弹能力有限和真丝的高额成本，
使真丝防弹衣在第一次世界大战中受
到了美国军械部的冷落，未能普及。
在第二次世界大战中，1942年10
月，英军首先研制成功了由三块高锰
钢板组成的防弹背心。而在1943年
第一次世界大战（法国）
度，美国试制和正式采用的防弹衣就有23种之多。这一时期的防弹衣以特种钢为主要
这一具有革命性的发明采用一种名为剪切增稠液（STF)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。
其制作方法就是把目前通用的“凯夫拉”防弹背心织物放在最新研制出来STF 中浸泡一下，即大功告成。另外，它也可以被灌装在传统防弹衣的夹层内，这样当 子弹或弹片打到这种新型防弹衣上时，里面的液体会在子弹(或弹片)压力作用下瞬 间转化为一种硬度极高的物质。当外部压力消失后，这种高硬度物质又恢复到液体 状态。因此虽然防护服平时只是普通布料，平时柔软舒适，一旦遭到刀枪等利物砍、 刺，或高速子弹、弹片冲击，瞬间变得坚韧无比。同时这种STF还会把子弹等造成 的冲击力沿织物迅速向四周扩散，大大降低单位面积的压强，将对人身体的损伤降 到最低程度。而当冲击力消失之后，STF又恢复液体状态，织物也重新变软，便于 人员活动。加入“剪切增稠液体”的防弹衣重量只有普通防弹背心重量的50%，厚 度也减少了45%，
粒子簇生成机理： 在剪切速率较低时，粒子间作用力可以使收到破坏的空间结构很快
回复，粘度基本不变，但随着剪切速率的增减，当粒子间作用力已无法 使受到破坏的空间修复时，粘度开始下降：随着剪切速率的进一步增大， 空间结构收到的破坏程度越来越大，所以粘度继续减小。当达到临界点 是，流体作用力为主导，粒子簇生成亚稳态，粒子簇随着流体作用力的 增大而变大，同时对流体阻碍作用也变大，因此体系的粘度增大，最终 是的宏观上体系变硬，能够有效抵御外界冲击。
防弹材料。1945年6月，美军研制成功铝合金与高强尼龙组合的防弹背心，型号为M12
步兵防弹衣。其中的尼龙66(学名聚酰胺66纤维)是当时发明不久的合成纤维，其强度几
乎是棉纤维的二倍。
朝鲜战争中，美陆军装备了由 12层防弹尼龙制成的全尼龙防弹衣， 而海军陆战队装备的则是硬质“多 隆”玻璃钢防弹背心，其重量在 2.7～3.6千克之间 保护，但体积较大，重量也高达6 千克。
面粉 芝麻糊
防弹衣
液体防弹衣
化学化工学院 葛鑫
防弹衣发展史
作为一种重要的个人防护装备，
防弹衣经历了由金属装甲防护板向非
金属合成材料的过渡，又由单纯合成
材料向合成材料与金属装甲板、陶瓷
护片等复合系统发展的过程。
在第一次世界大战中，出现了以
天然纤维织物为服装衬里，配以钢板
制成的防弹衣。厚实的丝绸服装也一
液态防弹衣
31层凯夫拉 防弹衣
剪切增稠液到底是一个什么样的东西，什么工作原理呢？
STF通常由分散相粒子及分散介质组成。其中分散相粒子为天然矿 物质或合成聚合物，如二氧化硅、硅、碳酸钙、聚苯乙烯等；分散介质为水、 聚乙二醇、乙醇、异丙醇、矿物油、水和甘油混合液等。它具有独一无二的 奇异特性，当人们用塑料棒轻轻搅拌它的时候，与普通液体没有什么区别， 但当对其加快搅拌速度和力量时，人们会发现它越来越粘稠，几乎瞬时就难 于搅动。这种STF实际上是一种处在固液混合状态的纳米粒子溶剂，它是由 溶剂和悬浮在其中的坚硬粒子组成。聚乙二醇是一种应用广泛的无毒液体， 能承受的温度范围很广，是非常理想的作为溶剂的基质。而且由于它是有机 物，不溶于水，因此不 用担心在下雨或涉水后会溶 解和消失。STF的另一成分 是非常坚硬、极其细小的 微粒。当这种流动性很强的 液体和坚硬的微粒结合后， 就能形成一种性能不同寻常 的材料。当运动缓慢时，硬 质粒子能够到处运动，因此 STF呈现的是液态；但当运 动迅速时，液体的变成了异 常坚固的固体。
目前解释剪切增稠现象的机理有两种：其一是由Hoffman提出的ODT机理 （OrderDisorderTransition），从有序到无序，即起始的剪切变稀现象是由于体 系中粒子有序程度的提高，而在临界值后的剪切增稠现象是因为体系中粒子的 有序结构遭到破坏；其二是Brady等人提出的“粒子簇”生成机理，他们认为剪 切增稠是由于流体作用促成亚稳态“粒子簇”的生成，严重阻碍了流体的流动， 使得体系的粘度增大。
70年代初，一种具有超高强度、 超高模量、耐高温的合成纤维—— 凯夫拉(Kevlar)由美国杜邦(DuPont) 公司研制成功，并很快在防弹领域 得到了应用。这种高性能纤维的出 现使柔软的纺织物防弹衣性能大为 提高，同时也在很大程度上改善了 防弹衣的舒适性。中号重量为3.83 千克。
第一次世界大战（德国）