新式“盾牌”：真正的刀槍不入

沐陽

自從人類進(jìn)入火槍時代，武器越來越先進(jìn)，槍械、子彈日益“鋒利”，冷兵器時代的盾牌早已無法勝任保護(hù)之職，那么，新式“盾牌”又會怎樣重振保護(hù)職責(zé)？

得益于新材料

新式盾牌主要指防彈衣，像馬甲一樣穿在身上，護(hù)住人體胸腹等要害部位，基本能擋住絕大部分傷害。這完全得益于50多年前一項重大發(fā)明。

當(dāng)時美國杜邦公司一位化學(xué)家——克沃勒克發(fā)明了劃時代意義的新材料。它質(zhì)地很輕，又很柔韌，最重要的是它異常堅固。在同等重量情況下，它比鋼鐵還要堅固5倍。這種特性使它非常結(jié)實，能擋刀劍劈刺，還能擋子彈，足以勝任新式盾牌之冠。

它就是聚對苯二甲酰對苯二胺，實際上就是一種塑料。當(dāng)然它還有個大名鼎鼎、更通俗的名字：凱夫拉爾纖維。凱夫拉爾纖維發(fā)明后，被廣泛應(yīng)用于防彈背心、士兵頭盔等各種軍事裝備上，而且還用在了國際空間站的防護(hù)層上。

凱夫拉爾纖維是一種高分子聚合物，成就它的正是其獨特的分子結(jié)構(gòu)。一般的聚合物分子鏈?zhǔn)请S機排列，好比一團繩子很容易被拉開。而凱夫拉爾纖維的則是有序排列，好比一團繩子理順了，根根排列在一起，能產(chǎn)生很大的強度，不會輕易斷裂。

強力攔阻

這種特性，使凱夫拉爾纖維堅固而輕盈，成為制作防彈衣的最佳材料。首先，要對纖維進(jìn)行紡紗，像織布那樣把它織成紗線以及紡織品。接著，對多層紡織品進(jìn)行樹脂熱壓，從而制成擋子彈的復(fù)合材料。如果想提高擋子彈的威力，就要用更好的紗線織成更緊湊、更致密的紡織品。

當(dāng)子彈擊中復(fù)合材料時，會帶來強大的沖擊力，它必須破除一重又一重攔阻，才能最終射入目標(biāo)。首先就是復(fù)合材料各層開始分離，接著最表面一層紡織品的纖維斷裂，然后是下一層的斷裂……這些都會大量消耗子彈的沖擊力，使其不斷減速，直到完全停止。

另外，考慮到高速穿甲彈，還要把碳化硅或氧化鋁制成的硬質(zhì)陶瓷板塞入防彈背心里，遮擋重要器官。凱夫拉爾纖維減緩沖擊力的同時，陶瓷板可以阻擋彈頭的穿刺力。當(dāng)然，由于陶瓷材料過于沉重僵硬，不可能用來擋整個身體。

第三硬的黑鉆石

50多年來，由凱夫拉爾纖維制成的防彈衣，無論在戰(zhàn)場上，還是打擊犯罪方面，都立下了卓越功勛。當(dāng)槍械和子彈隨技術(shù)日益進(jìn)步時，防彈衣也在不斷進(jìn)步，科學(xué)家一直在尋找凱夫拉爾纖維的升級品。

首先映入眼簾的就是黑鉆石，又稱黑金剛石、碳化硼，其硬度在地球上可排第三，僅次于金剛石和氮化硼。黑鉆石密度是2.52克/立方厘米，相比之下，鋼是7.8克/立方厘米，凱夫拉爾纖維是1.44克/立方厘米。因此它很可能是未來阻擋穿甲彈的陶瓷材料。

然而目前困難在于，黑鉆石價格居高不下，其開采制造成本太高。但是英國伯明翰大學(xué)科學(xué)家研發(fā)的技術(shù)，可以降低成本。傳統(tǒng)方法是先把黑鉆石原材料加熱到2500℃，再花數(shù)星期來打磨，制成鑄塊（2.5x1.5米大小），最后磨成粉末。伯明翰大學(xué)研發(fā)了一種特殊溶液，加熱溫度不超過1500℃，就能把原材料溶解在溶液里得到一種新材料，再進(jìn)行加熱就會產(chǎn)生所需要的粉末。

這種工藝溫度要求低，大大降低了生產(chǎn)成本。目前已分別得到美國和英國軍方的資助，用于研發(fā)其在彈道材料上的應(yīng)用。

源自帽貝的針鐵礦

人類很多科技都師從大自然，防彈衣也不例外。英國樸茨茅斯大學(xué)的研究人員在帽貝身上發(fā)現(xiàn)了一種極其堅固的材料——針鐵礦（針鐵石、烏鋼石）。

帽貝是一種海產(chǎn)貝類，多附著在海邊巖石上生活。它有細(xì)小牙齒，用來刮擦巖石表面，獲取上面的海藻為食。有時刮擦還會產(chǎn)生刺耳的響聲，正是由于牙齒里含有針鐵礦而異常堅固。針鐵礦的纖維結(jié)構(gòu)，剛好也適合制作既柔韌又堅固的防彈衣。

源自螳螂蝦的羥基磷灰石晶體

還有孔雀螳螂蝦，它那強有力的錘狀爪引起了科學(xué)家的興趣。狩獵時，它會把爪子以極高的速度砸向獵物，相當(dāng)于5.6毫米口徑子彈射出的速度。高速度帶來巨大的撞擊力，獵物會遭到毀滅性打擊。根據(jù)力的作用原理，它的爪子也要承受同樣的撞擊力，但卻安然無恙。

這主要是因為爪子由一種極其堅硬的材料生成，堅硬程度類似于碳化硅（金剛砂）。爪子前面有一片沖擊區(qū)域，由精確排列的羥基磷灰石晶體生成。沖擊區(qū)后面是一層層的螺旋，起到了很好的減震作用。每一層螺旋都與相鄰的下一層形成稍微不同的夾角，這種螺旋結(jié)構(gòu)可以防止裂痕的擴展。

它最大的優(yōu)點，就是可以在常溫（或室溫、海水溫度）下生成，不需要像傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)那樣煅燒至高溫才能反應(yīng)。這項研究已得到美國國防部的大力資助。

如火如荼的研究

除此之外，還有許多關(guān)于防彈衣新型材料的研究，很多都是基于大自然的產(chǎn)物，比如蜘蛛絲、石墨烯、納米纖維素，甚至還有盲鰻（一種海洋生物）產(chǎn)生的軟膠粘液。

其中，超高分子聚乙烯最受關(guān)注，它類似于塑料袋中的聚合物，但又有不同。塑料袋中的聚合物是以雜亂方式排列的，但超高分子聚乙烯的則是排列整齊的，因為它的纖維從凝膠中紡成，再拉伸對齊。用這種方式制造的纖維材料，在同等重量情況下，強度是鋼強度的8～15倍。但是，它還有一個需克服的缺點，即在130℃以上溫度時很容易破裂。英國帝國理工學(xué)院有一間專門研究防彈衣的實驗室，對超高分子聚乙烯的研究已取得一定成果。

這些研究在美國和英國軍方的資助下，正如火如荼地進(jìn)行著，其顯著的特點是，它建立了各種彈道材料的計算機模型，是在原子水平上建立的，包括各種聚合物、金屬、陶瓷等。

原子水平上的研究

以往研究都是基于實驗數(shù)據(jù)，憑著子彈射在不同材料上引起的變化而研究。但原子水平上的研究，則是基于原子水平的信息，建立模型來模擬防彈背心的性能，從而在原子水平上開發(fā)出新材料。

目前，在計算方程上已取得了重大突破，這提高了模擬運算的速度和準(zhǔn)確率。因為它是為聚合物中單個原子相互作用而設(shè)計的，可以實現(xiàn)模擬上百萬原子相互作用的功能。在此之前，只能實現(xiàn)大約1000個原子相互作用。事實也證明，這些模擬運算與量子力學(xué)計算的數(shù)據(jù)比實驗數(shù)據(jù)更精確。

美國軍方的聚合物加工廠已于2015年啟動，未來的防彈衣必會大放異彩。從生命的意義上講，盾對矛的反擊會始終處于上風(fēng)。