漫話防彈衣（二）

防彈衣用于防護(hù)彈頭或彈片對(duì)人體的傷害。前面介紹，防彈衣主要由衣套和防彈層兩部分組成。衣套常用化纖織品制作。防彈層是用金屬（特種鋼、鋁合金、鈦合金）、陶瓷片（剛玉、碳化硼、碳化硅、氧化鋁）、玻璃鋼、尼龍（PA）、凱夫拉（KEVLAR）、超高分子量聚乙烯纖維（DOYENTRONTEX Fiber），構(gòu)成單一或復(fù)合型防護(hù)結(jié)構(gòu)。防彈層可吸收彈頭或彈片的動(dòng)能，對(duì)低速?gòu)楊^或彈片有明顯的防護(hù)效果，在控制一定的凹陷情況下可減輕對(duì)人體胸、腹部的傷害。從使用看，防彈衣可分警用型和軍用型兩種。從材料看，防彈衣可分為軟體、硬體和軟硬復(fù)合體三種。軟體防彈衣的材料主要以高性能紡織纖維的復(fù)合材料無緯布為主，這些高性能纖維遠(yuǎn)高于一般材料的能量吸收能力，賦予防彈衣防彈功能，并且由于這種防彈衣一般采用紡織品的結(jié)構(gòu)，因而又具有相當(dāng)?shù)娜彳浶?，稱為軟體防彈衣。硬體防彈衣則是以特種鋼板、超強(qiáng)鋁合金等金屬材料或者氧化鋁、碳化硅等硬質(zhì)非金屬材料為主體防彈材料，由此制成的防彈衣一般不具備柔軟性，以插板形式為主。軟硬復(fù)合式防彈衣的柔軟性介于上述兩種類型之間，它以軟質(zhì)材料為內(nèi)襯，以硬質(zhì)材料作為面板和增強(qiáng)材料，是一種復(fù)合型防彈衣。防彈衣包括步兵防彈衣、飛行人員防彈衣和炮兵防彈衣等。此外，還有液體防護(hù)材料等材料制作的防彈衣。

英國(guó)南安普敦大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)明了一種用從液體水晶提煉的纖維制成的防彈背心。研究人員在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)一層水晶施加電壓時(shí)，所有液體水晶呈同一方向排列，并形成一個(gè)長(zhǎng)形分子鏈。用化學(xué)手段使水晶分子鏈結(jié)合，形成強(qiáng)拉力纖維，然后用天然樹脂將纖維定型，便制成超強(qiáng)力纖維。有關(guān)專家表示，這是世界上最先進(jìn)的防彈背心。

液體防彈衣：重僅為傳統(tǒng)防彈衣一半

英國(guó)BAE系統(tǒng)公司研制一種神奇的新型液體防彈衣。這一具有革命性的發(fā)明采用一種名為“剪切增稠液”的液體，該液體在受到子彈沖擊時(shí)會(huì)變硬從而起到阻擋子彈的作用。新型液體防彈衣可以為士兵提供史無前例的有效保護(hù)，同時(shí)又能保證他們自由靈活地運(yùn)動(dòng)，不再受到笨重的傳統(tǒng)防彈衣的限制。

作為全球著名的防御、航空宇宙、安全公司，BAE系統(tǒng)公司所研制的新型液體防彈衣質(zhì)量更輕、防御保護(hù)效果更好，彈性和靈活性都得到大大加強(qiáng)?！凹羟性龀硪骸边€可以噴涂于兩層凱夫拉爾之間，制成超強(qiáng)超薄防彈衣。本來，凱夫拉爾材料的強(qiáng)度就是鋼鐵的五倍，因此它也被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的防彈衣材料。這種新型超強(qiáng)超薄防彈衣比普通的防彈衣要薄得多，而重量只相當(dāng)于普通的一半。

“剪切增稠液”中自由懸浮著許多特殊粒子。當(dāng)液體因?yàn)楸蛔訌棝_擊而被攪亂時(shí)，其中的特殊粒子相互碰撞，形成了對(duì)這種攪動(dòng)的抵抗力。當(dāng)攪動(dòng)力足夠大時(shí)，這些粒子其實(shí)就已被相互“鎖定”。當(dāng)子彈高速撞擊這種材料時(shí)，“剪切增稠液”防彈衣就會(huì)吸引撞擊能量，并迅速變得極其堅(jiān)硬。

液體防彈衣工作原理

在過去的幾千年中，防彈衣的基本原理沒有什么太大的變化。首先，它用于阻止武器和彈藥直接接觸人體；其次，它分散了武器的能量，降低對(duì)人體的傷害。盡管不是在任何情形下都能起到作用，但盔甲基本上能保護(hù)人們免受武器--尤其是來自那些正規(guī)武器--的襲擊，避免受到嚴(yán)重傷害或死亡。多年來，人們不得不發(fā)明更強(qiáng)大、更先進(jìn)的盔甲以應(yīng)對(duì)愈來愈高級(jí)的武器。然而，盡管經(jīng)過多次改進(jìn)，現(xiàn)代防彈衣依然有著與古代盔甲相似的缺陷。無論是用金屬板還是纖維制作的盔甲都很笨重，而且許多種類的盔甲都很堅(jiān)硬，不適用于胳膊、腿和脖子。因此，中世紀(jì)時(shí)期的金屬盔甲設(shè)計(jì)了縫隙和接口以便于人們的行動(dòng)，今天的防彈衣主要用于保護(hù)頭部和軀干。

古代的盔甲與今天的防彈衣很像，都是用于保護(hù)人們免受武器的傷害，不過它們也同樣沉重、體積巨大而且不靈活。

一種最新式的防彈衣既靈活又輕便。說來也奇怪，這種改進(jìn)是由于將液體加入到現(xiàn)有的防彈衣材料中。當(dāng)然，它還沒有完全投入戰(zhàn)斗，研究人員聲稱這種液體防彈衣有取代或輔助現(xiàn)有防彈背心的潛質(zhì)。最終，士兵、警察和其他人可能都將使用這種防彈衣來保護(hù)胳膊和腿。目前主要的兩種液體防彈衣都是使用杜邦公司的凱夫拉防彈纖維，這種纖維通常用于制作防彈背心。當(dāng)一顆子彈或者彈片擊中凱夫拉防彈背心的時(shí)候，防彈材料層會(huì)將力量分散至一個(gè)大的表面。子彈也可以使凱夫拉防彈纖維伸張，慢慢的消耗彈道的力量并減緩子彈的速度。這個(gè)原理與汽車的安全氣囊一樣，安全氣囊可以分散碰撞時(shí)產(chǎn)生的壓力，并減緩人體軀干的運(yùn)動(dòng)。盡管凱夫拉是一種纖維，凱夫拉防彈衣卻不會(huì)像普通衣服一樣擺動(dòng)和起褶皺。通常，阻擋一顆子彈需要用到20-40層凱夫拉防彈纖維，因此，防彈衣都很堅(jiān)硬，重量也不輕，一件沒有陶瓷保護(hù)層的防彈衣也重達(dá)4.5千克以上。有兩種液體可以使凱夫拉防彈衣使用較少的纖維層，讓它變得更輕更靈活。這兩種材料有一種共性--它們都對(duì)刺激反映強(qiáng)烈。接下來，我們將介紹它們是由什么制成的，以及為什么會(huì)有這種功能？

“液體防彈衣”這個(gè)詞可能會(huì)誤導(dǎo)一些人，讓他們以為是將流動(dòng)的液體填充在固體纖維層間。然而，這兩種目前正在研究的液體防彈衣都沒有一個(gè)可見的液體層。反之，是將防彈纖維浸泡在這兩種液體的其中一種中。

剪切增稠液體用于防彈衣的制作

第一種液體是剪切增稠液體（STF），當(dāng)它遇到機(jī)械應(yīng)力或者剪切時(shí)，就會(huì)變得如同固體一般堅(jiān)硬。換句話說，在沒有外力作用前，它像液體一樣流動(dòng)，但在被其他物體強(qiáng)烈的撞擊或者搖動(dòng)后，它會(huì)在幾毫秒內(nèi)變硬。與剪切增稠物質(zhì)相反的是油漆，當(dāng)它被用力搖動(dòng)或者攪拌時(shí)會(huì)變的更稀薄。用同等分量的玉米淀粉和水做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，您可以看到類似于剪切增稠的效果。如果您緩慢的攪動(dòng)，玉米淀粉會(huì)像液體一樣移動(dòng)。但是當(dāng)您用力敲擊它，它的表面會(huì)突然變堅(jiān)固。您也能把它捏成球狀，但是，當(dāng)您停止施加壓力，小球就破碎了。

現(xiàn)在讓我們來看這一過程是如何進(jìn)行的。剪切增稠液體是膠質(zhì)的，一種非常微小的粒子懸浮在液體中。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(jié)成塊或者沉淀在底部。但是當(dāng)突然的重壓超過了這種排斥力的時(shí)候，它們開始團(tuán)結(jié)起來，形成水冷集群。當(dāng)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(fù)成了液體。

受到撞擊前，剪切增稠液體的粒子在平衡狀態(tài)，受到撞擊后，它們凝結(jié)成塊，形成固定結(jié)構(gòu)。

這種在防彈衣中使用的液體是由懸浮在聚乙二醇中的二氧化硅--沙子和石英中的一種成分--粒子制成。聚乙二醇是一種聚合物，通常用于輕瀉劑和潤(rùn)滑劑中。二氧化硅粒子的直徑只有幾毫微米，許多報(bào)道將這種液體描繪為納米技術(shù)的一種形式。用剪切增稠液體制作防彈衣時(shí)，研究人員首先用酒精稀釋液體，然后，他們將凱夫拉纖維泡在稀釋后的液體中，再放進(jìn)烤箱中蒸發(fā)掉酒精。這樣剪切增稠物質(zhì)就滲入了凱夫拉纖維中了，而纖維也適時(shí)的固定住這種充滿粒子的液體。當(dāng)一個(gè)物體敲擊凱夫拉纖維時(shí)，液體會(huì)立刻變硬，讓凱夫拉纖維更牢固。變硬只是幾毫秒內(nèi)的事，很快，這件防彈衣又變得柔韌了。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，加入了剪切增稠物質(zhì)的凱夫拉纖維非常柔軟平滑，不同的是它變得更強(qiáng)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沒有普通纖維在沖擊時(shí)伸展的更長(zhǎng)，這就意味著子彈也不會(huì)像射入普通纖維時(shí)穿透的那么深。研究人員認(rèn)為，這是因?yàn)樽訌椧酶嗟哪芰孔饔糜诩羟性龀硪后w纖維的伸展。

添加了剪切增稠液體后的防彈衣被子彈擊時(shí)的反映

剪切增稠液體防彈衣的研究主要在美國(guó)軍隊(duì)研究室和特拉華州大學(xué)進(jìn)行，麻省理工學(xué)院的研究人員則在進(jìn)行著另外一種用于防彈衣的液體的研究，接下來讓我們?nèi)タ匆幌滤麄冄芯康氖鞘裁窗伞?/p>

另一種可以加固凱夫拉防彈衣的材料是磁流變液體（MRF）--一種充滿鐵粒子的油狀物。通常，液體中的表面活性劑環(huán)繞著粒子，并保持它們懸浮在液體中。一般來說，鐵粒子占總液體容量的20-40%。鐵粒子非常小，只有3-10微米。不過，它們對(duì)液體的粘滯度有很大的影響。在磁場(chǎng)環(huán)境下，粒子排成一列，液體迅速變得濃稠。名詞“磁流變液”就是來自于這種效果。流變學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，主要關(guān)注力和物質(zhì)形狀改變之間的關(guān)系。磁力可以同時(shí)改變磁流變液體的形狀和粘度。

當(dāng)暴露于磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液中的粒子順著場(chǎng)力線排成一列

液體的硬化過程只需1/20000秒。效果的劇烈程度隨液體的成分、大小、形狀和磁場(chǎng)的強(qiáng)度而不同。例如，剛開始麻省理工學(xué)院研究人員使用球形鐵粒子，這些鐵粒子即便在磁場(chǎng)下也可以彼此滑過，這會(huì)影響防彈衣的加固，因此，研究人員轉(zhuǎn)而研究其他形狀的鐵粒子，以其得到更好的效果。就像剪切增稠液體，您也可以通過一些普通的現(xiàn)象來認(rèn)識(shí)到磁流變液的效果。將鐵粉與油混合就可以制造一個(gè)非常棒的現(xiàn)場(chǎng)展示。當(dāng)沒有磁場(chǎng)存在的時(shí)候，液體可以非常輕易的流動(dòng)。但是一塊磁鐵便可以使液體變得更加粘稠，或者變成一種與盛它的容器不同的形狀。有時(shí)候，差異可以從表面看出來，液體會(huì)形成明顯的尖形、槽型和其他各種形狀。藝術(shù)家們甚至使用磁鐵、磁流變液體或其他的鐵磁流體來創(chuàng)作藝術(shù)作品。用正確的材料密度、粒子形狀和磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁流變液體可以從流體變?yōu)榉浅＞o密的固體，就像剪切增稠液體，這種改變可以迅速增加防彈衣的強(qiáng)度。這種技術(shù)的關(guān)鍵因素在于如何誘發(fā)流體的改變。要引起一整套防彈衣內(nèi)磁流變液體的改變需要足夠大的磁鐵，這將使防彈衣變得很重，不便于隨身攜帶，因此研究人員打算在防彈衣內(nèi)部使用細(xì)電路。

置于磁場(chǎng)前后的磁流變液體

沒有電流流過電線，防彈衣會(huì)很柔韌，但是打開開關(guān)后，電流開始在電線中流動(dòng)，制造出一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)立刻使防彈衣變得更硬、更堅(jiān)固。將開關(guān)撥到相反的位置后，電流停止流動(dòng)，防彈衣變回柔韌。除了用來制造更強(qiáng)大、輕便、柔韌的防彈衣，添加了剪切增稠液體和磁流變液體的纖維也有其他用途。比如，用來制作容易折疊和攜帶的抑爆毯，保護(hù)周圍人不受爆炸和彈片的襲擊。用于制作遇到撞擊時(shí)可以變得堅(jiān)硬的跳傘靴，保護(hù)空降兵的腳不受損傷。液體防彈服也可以用來制作獄警的制服，因?yàn)楠z警常常要面對(duì)鈍器和自制刀刃的襲擊。然而，比起剪切增稠液體，磁流變液體技術(shù)的應(yīng)用存在一定弊端。

這兩種防彈衣目前都還沒有做好參加戰(zhàn)斗的準(zhǔn)備。剪切增稠液體凱夫拉防彈服在2007年底可以投入使用。磁流變液體防彈服還需要5-10年的研究和改進(jìn)，才可以保持穩(wěn)定的防彈性能。