基于仿生設(shè)計(jì)的紡織結(jié)構(gòu)防刺材料研究進(jìn)展

吳秀桓，葉天宇，李鳳艷

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

自1996年10月1日正式實(shí)施《槍支管理法》以來(lái)，我國(guó)對(duì)槍支的管控非常嚴(yán)格，但是來(lái)自匕首、刺刀等尖利銳器引起的社會(huì)不安定因素仍然無(wú)處不在[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2019年全國(guó)公安機(jī)關(guān)系統(tǒng)中，因公犧牲或者負(fù)傷的10 000多名公職人員中，大部分源于刀具的傷害[2]；在森林消防領(lǐng)域，消防員在行進(jìn)和救火中極易接觸到尖銳物品，對(duì)消防服及其身體造成損傷而嚴(yán)重影響自身安全和救火任務(wù)的實(shí)施[3]。除此之外，防刺服在其他特殊環(huán)境及日常保障人身安全方面都具有重要的作用。

目前市場(chǎng)上的防刺材料主要分為硬質(zhì)、半硬質(zhì)和柔性三大類[4]，但是硬質(zhì)和半硬質(zhì)防刺材料在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上缺乏靈活性和服用性，而柔性防刺材料具有良好的柔韌性和隱蔽性，既能夠滿足公安等特種職業(yè)的要求，又可作為日常穿著服裝保護(hù)人身安全，所以柔性防刺材料成為當(dāng)今研發(fā)的主流方向。柔性防刺材料所用的基礎(chǔ)纖維原料主要有超高分子量聚乙烯纖維、對(duì)位芳香族聚酰胺纖維、聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑纖維, 此外聚對(duì)苯二甲酸丁二酯纖維、蜘蛛絲、蠶絲絲膠、陶瓷纖維、碳纖維、聚酯纖維等也有所應(yīng)用[5]。目前柔性防刺材料的加工工藝主要有剪切增稠液體整理、樹(shù)脂浸漬整理、表面涂層整理、離散樹(shù)脂整理和石墨烯強(qiáng)化[6]。柔性防刺材料的防刺層大都采用多層高性能織物疊加來(lái)抵抗刀具的穿刺，雖達(dá)到了防刺的效果，但是存在厚重的問(wèn)題，影響防刺服的柔順性以及穿著的舒適性[7]。

為提高防刺材料的柔性和減輕人體穿著負(fù)擔(dān)，許多學(xué)者嘗試從自然生物的防護(hù)系統(tǒng)中尋求靈感，進(jìn)行防刺材料的仿生設(shè)計(jì)。生物在抵御掠食者攻擊和復(fù)雜環(huán)境傷害的過(guò)程中進(jìn)化出了獨(dú)特的防護(hù)系統(tǒng)，其生物材料往往具有優(yōu)化的性能和組織結(jié)構(gòu)，并且生物個(gè)體的防護(hù)結(jié)構(gòu)往往兼有柔韌、堅(jiān)固和輕質(zhì)的特點(diǎn)[8]。本文從仿生角度綜述了紡織結(jié)構(gòu)柔性防刺材料的種類及其防刺機(jī)制，并介紹了基于仿生設(shè)計(jì)的防刺材料的實(shí)現(xiàn)方式，期待為柔性防護(hù)裝備的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供新的研究思路。

1 仿生防刺材料種類及防刺機(jī)制

1.1 仿生鱷魚防刺材料

1.1.1 鱷魚鱗甲結(jié)構(gòu)

為抵御捕食者攻擊，鱷魚進(jìn)化出了一套有效的柔性皮膚裝甲。Yang等[9]研究了鱷魚的鱗甲結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其背部擁有巨大凸起的骨板，如圖1[10]所示。骨板含致密的皮質(zhì)骨、原生板層和多孔松質(zhì)骨，由膠原纖維連接，使得鱷魚的皮膚具有非常好的韌性。Chen等[10]通過(guò)顯微硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，骨板的最低硬度為280 MPa，最高硬度可達(dá)470 MPa。當(dāng)鱷魚受捕食者攻擊時(shí)，其骨板的軸向抗壓強(qiáng)度為67 MPa(A方向)，而長(zhǎng)度方向(B方向)和橫向(C方向)的抗壓強(qiáng)度分別為58、40 MPa。骨板的軸向承受了最大載荷，這與來(lái)自捕食者牙齒的最大咬合力方向一致。通過(guò)觀察骨板在受壓時(shí)的微觀變化，確定了如圖2[10]所示的主要的增韌機(jī)制：鱗片中的孔洞受壓孔隙率降低，周圍出現(xiàn)細(xì)小的裂隙；載荷繼續(xù)作用，裂隙間形成膠原纖維橋，因具有一定的彈性而阻止裂隙的擴(kuò)展；裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，裂隙間形成礦物橋。

圖1 鱷魚骨板結(jié)構(gòu)

圖2 骨板的增韌機(jī)制

1.1.2 三棱錐型防刺基板

借鑒鱷魚鱗甲模型，袁夢(mèng)琦等[11]設(shè)計(jì)出了三棱錐型仿生防刺基板(見(jiàn)圖3[12])，該防刺基板的傾斜角為22.5°，基板厚度為1 mm，三棱錐邊長(zhǎng)為10 mm，以改進(jìn)鈦合金為材料通過(guò)模壓成型工藝進(jìn)行加工。該防刺材料的各個(gè)防刺基板通過(guò)鉚釘連接，并且采用了加厚弧面對(duì)防刺基板進(jìn)行過(guò)渡，提高了整體防刺層彎曲程度，也能更加地貼合人體。經(jīng)過(guò)刀具沖擊測(cè)試，1 mm厚的防刺基板能承受24 J的沖擊，滿足GA 68—2008《警用防刺服》的要求?，F(xiàn)有的硬質(zhì)防刺服的質(zhì)量普遍大于2 kg，該防刺基板在符合0.3 m2的防護(hù)面積之下質(zhì)量只有1.35 kg，并且各基板連接處存在一定的縫隙，改善了防刺服的透氣透濕性，靈活性也得到了提高。

圖3 仿生鱷魚防刺單元和防刺基板

1.2 仿生石鱉防刺材料

1.2.1 石鱉殼板結(jié)構(gòu)

石鱉為海洋軟體生物，其殼體主要由8塊疊瓦狀的殼板構(gòu)成，按照位置分為頭板、中間板和尾板[13]，背部殼板的周圍有一圈環(huán)帶(見(jiàn)圖4[15])，環(huán)帶覆蓋著數(shù)百個(gè)微小、堅(jiān)硬和重疊的礦化鱗片。石鱉的背部鱗片呈鉤狀，與大多數(shù)魚鱗和骨皮不同的是，石鱉鱗甲的成分相對(duì)更加均勻，而且鱗片沒(méi)有次級(jí)層和孔隙。石鱉背部的殼板和腹鱗之間能夠相互滑動(dòng)，賦予了石鱉外殼的柔韌性和靈活性，可在不平坦的表面上移動(dòng)，當(dāng)受到威脅時(shí)身體還可以蜷縮成球狀來(lái)抵御捕食者的攻擊[14]。

圖4 石鱉鱗甲結(jié)構(gòu)

Connors等[15]研究了石鱉在扁平狀態(tài)和防御時(shí)卷曲狀態(tài)下各殼板間的構(gòu)象變化，如圖5[15]所示，發(fā)現(xiàn)背部殼板的重疊率從62%降到了48%，而縱向曲率指數(shù)(殼板4的長(zhǎng)度除以扁平狀態(tài)下的縱向曲率半徑)由0.4增加到了0.7。研究還發(fā)現(xiàn)石鱉環(huán)帶上的每個(gè)鱗片都嵌套在一菱形基底上，鱗片間具有互鎖機(jī)制，當(dāng)石鱉受到攻擊時(shí)，環(huán)帶上的鱗片會(huì)因?yàn)槭艿酵饬Φ臄D壓而產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使相鄰的鱗片發(fā)生勾連并聚鎖在一起，從而減少鱗片之間空隙，促進(jìn)了所受載荷在鱗片層上的分散。

圖5 石鱉扁平和卷曲形態(tài)下的殼板

1.2.2 石鱉鱗甲防刺護(hù)膝

護(hù)膝對(duì)保護(hù)人的膝關(guān)節(jié)起著重要的作用，大致可分為硬質(zhì)護(hù)膝和柔性護(hù)膝，柔性護(hù)膝主要用于醫(yī)療保健以及慢跑、騎行等輕量運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域[16]，而硬質(zhì)護(hù)膝主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。護(hù)膝的設(shè)計(jì)要求具有耐沖撞、能穩(wěn)定吸收能量和緩沖性能，除達(dá)到防護(hù)的要求之外還需具有良好的透氣透濕性和貼合性。由于士兵執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間較長(zhǎng)，且往往具有復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，所以軍用護(hù)膝的設(shè)計(jì)在保證防護(hù)性能的情況下，還應(yīng)提高護(hù)膝的輕便性和柔韌性并賦予護(hù)膝具有一定的防刺功能[17]。鑒于目前市場(chǎng)上的護(hù)膝產(chǎn)品難以做到兼顧柔性和防護(hù)性的問(wèn)題，Connors等[14]提出了一個(gè)新的設(shè)計(jì)方案，其采用了塑料材質(zhì)，通過(guò)3D打印技術(shù)制作了一款仿石鱉柔性防刺護(hù)膝。在尖銳玻璃碎片上進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，該仿生石鱉護(hù)膝可有效防止玻璃尖刺的刺入，提高了護(hù)膝的柔韌性和防護(hù)性能，降低了護(hù)膝對(duì)膝關(guān)節(jié)活動(dòng)的限制。

1.3 仿生魚鱗防刺材料

1.3.1 魚鱗結(jié)構(gòu)分析

魚鱗為真皮組織的衍生物，其主要成分為羥基磷灰石并呈板片狀以一定的角度進(jìn)行疊瓦狀排列，具有一定的取向性[18]。疊瓦狀硬鱗片和軟組織的真皮層為魚體提供了優(yōu)良的柔韌性和防護(hù)性能，并且能根據(jù)身體不同區(qū)域的需求調(diào)整局部保護(hù)和彈性。受到攻擊時(shí)，魚鱗能發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)和一定角度的偏轉(zhuǎn)造成鱗片之間疊合程度的增加，增大了穿透阻力。疊瓦狀的鱗片可以將單個(gè)鱗片上所受的載荷直接傳遞到相鄰的鱗片上，將力分散到更大的區(qū)域，并且鱗片層下的真皮層具有彈性能為鱗片所受的沖擊提供一定的緩沖，減小對(duì)下層組織的損傷[19]。Zhu等[20]研究了單個(gè)鱗片的穿刺力學(xué)，通過(guò)對(duì)條紋鱸魚進(jìn)行穿刺實(shí)驗(yàn)，證明了魚皮完全破壞時(shí)的載荷與鱗片層數(shù)呈線性關(guān)系，還確定了鱗片間的摩擦力對(duì)穿刺阻力的影響可以忽略不計(jì)。魚皮有著輕質(zhì)、柔韌性好的優(yōu)點(diǎn)，這與柔性防刺服的設(shè)計(jì)要求相契合，為防刺層的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路。

1.3.2 仿生魚鱗防刺結(jié)構(gòu)防護(hù)服

參考鯽魚魚鱗的形狀及鱗片搭接方式，于春玲等[21]設(shè)計(jì)并改進(jìn)了防刺甲片的形狀和搭接結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的防刺服與傳統(tǒng)防刺服相比，防刺服的柔性得到顯著提高。Rudykh等[22]根據(jù)魚鱗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了復(fù)合硬板/軟基質(zhì)材料結(jié)構(gòu)，其用丙烯酸基光聚合物作為鱗片嵌入到軟彈性基底材料(TangoPlus)當(dāng)中，并在該材料上進(jìn)行了穿刺和和彎曲測(cè)試(見(jiàn)圖6[22])，結(jié)果表明其與無(wú)鱗片覆蓋的軟基底材料相比，抗穿刺性能增大了40倍而柔韌性降低不到5倍。該結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能和柔性可通過(guò)對(duì)仿生鱗片的板傾角和體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行調(diào)整，在體積分?jǐn)?shù)約為0.3并且傾角為10°或20°時(shí)提供了防刺性和柔性的最佳組合。仿制條紋紅色鯔魚的鱗甲系統(tǒng)，F(xiàn)unk等[19]研發(fā)了合成保護(hù)軟材料，其用醋酸丁酸纖維素(CAB)制成的重疊小板來(lái)充當(dāng)魚的鱗片，并用柔性聚丙烯網(wǎng)來(lái)作為魚的真皮基底，二者通過(guò)棉線進(jìn)行連接。通過(guò)對(duì)該仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎曲測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其彎曲響應(yīng)機(jī)制與條紋紅色鯔魚相符合(見(jiàn)圖7[19])，展示了其作為軟質(zhì)材料的保護(hù)層的潛力，但是該仿生魚皮鱗片的硬度還無(wú)法達(dá)到目前防刺服的標(biāo)準(zhǔn)，還需進(jìn)一步的改進(jìn)。

圖6 仿魚鱗防刺材料穿刺和彎曲測(cè)試

圖7 仿條紋紅色鯔魚鱗甲系統(tǒng)

1.4 仿生荷葉形防刺材料

1.4.1 荷葉結(jié)構(gòu)分析

如圖8(a)[23]所示，荷葉的脈狀結(jié)構(gòu)中，其主脈從葉子的中心以16°～20°向葉緣定向擴(kuò)散，且具有高彈性、高強(qiáng)度和低模量的特點(diǎn)，其分支的主脈具有較好的柔韌性和可塑性，在受到風(fēng)等外力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲[23]。荷葉還具有蜂窩狀六邊形層級(jí)結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)從荷葉的表面到內(nèi)部逐漸變小，如圖8(b)[24]所示。荷葉相互平行的微管提高了荷葉的韌性，其蜂窩狀分層結(jié)構(gòu)提高了荷葉的穩(wěn)定性并減輕其質(zhì)量；荷葉的傘狀葉脈對(duì)葉子起到支撐作用[24]。因此，荷葉經(jīng)過(guò)不斷的進(jìn)化，不僅具有優(yōu)異的超疏水性能，其組織結(jié)構(gòu)也具有優(yōu)秀的力學(xué)性能。

圖8 荷葉結(jié)構(gòu)

1.4.2 仿生荷葉防刺服

為改善防刺服存在的各向防刺性能不均勻和防刺基板設(shè)計(jì)不合理的問(wèn)題，王學(xué)洲等[25]基于荷葉的形狀設(shè)計(jì)了一款高強(qiáng)輕質(zhì)復(fù)合防刺服，并且防刺基板的排列呈平面網(wǎng)狀蜂窩結(jié)構(gòu)，其將鈦合金板加工成厚度為0.8 mm、邊長(zhǎng)為15 mm的荷葉形防刺基板，如圖9[25]所示，并通過(guò)在防刺基板的表面涂抹高強(qiáng)度的有機(jī)涂層以增強(qiáng)基板的防刺性能。防刺基板和織物之間通過(guò)膠黏劑進(jìn)行連接，并在防刺層下設(shè)有軟質(zhì)泡沫塑料減震層。荷葉形防刺基板之間連接的縫隙小于1.5 mm，縫隙的存在允許各防刺基板之間可以有一定彎曲，這顯著提高了防刺服的柔軟性，其邊沿的弧形結(jié)構(gòu)可以有效握持住刀尖，提高了防刺服的各向防刺性。防刺材料選用輕質(zhì)的鈦合金極大的減輕了防刺服的整體重量，而防刺基板以平面網(wǎng)狀蜂窩結(jié)構(gòu)排列也增加了防刺層整體的穩(wěn)定性。

圖9 荷葉形防刺基板

2 仿生設(shè)計(jì)的防刺材料制備方法

2.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑、航天航空和生物醫(yī)療等領(lǐng)域，具有快捷性和精密性，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了更多的可能[26]。Johnson首先提出將3D打印激光燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用到防刺服的制作當(dāng)中[27]，而后越來(lái)越多的學(xué)者將其應(yīng)用到了防刺產(chǎn)品的研發(fā)上。如美國(guó)弗吉尼亞研究院[14]通過(guò)3D打印技術(shù)制作了防刺護(hù)膝；宮政等[28]采用3D打印激光燒結(jié)加工成形技術(shù)，設(shè)計(jì)了微蛋殼型防刺基板結(jié)構(gòu)；Funk等[19]和Rudykh等[22]各自仿生鱗片的制作也是通過(guò)3D打印技術(shù)完成。3D打印雖有便利性，但也存在著打印材料的局限性和成本較高的問(wèn)題[27]，而且該技術(shù)大多只適用在核心防刺部位的打印上。

2.2 激光雕刻技術(shù)

激光雕刻技術(shù)主要是利用高能量密度的激光束在材料表面發(fā)生氣化效應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)以及熔蝕效應(yīng)，廣泛應(yīng)用在陶瓷、印章的雕刻上[29]。激光雕刻具有高精密和快速成型的特點(diǎn)，且雕刻的形狀清晰度高不易磨損[30]，這為仿生鱗片表面形狀的加工提供了便利。Chintapalli等[31]從犰狳的骨皮結(jié)構(gòu)中獲取靈感，通過(guò)激光雕刻技術(shù)在薄玻璃板上雕刻出了六邊形防刺結(jié)構(gòu)，并將其放置在橡膠軟基底上進(jìn)行穿刺測(cè)試，結(jié)果表明該仿生六邊形結(jié)構(gòu)與連續(xù)的玻璃板相比防刺阻力提高了70%。Martini等[32]設(shè)計(jì)了仿生魚鱗柔性防刺結(jié)構(gòu)，其加工工藝過(guò)程如圖11[32]所示。用激光雕刻機(jī)在氧化鋁條刻上圖案，并用氰基丙烯酸酯黏合劑與預(yù)先拉伸聚氨酯彈性條體進(jìn)行黏合，在固化膠水之后，釋放彈性體條以允許氧化鋁鱗片彼此滑動(dòng)并重疊，將鱗片轉(zhuǎn)移到可彎曲的硅膠膜上，最終剝離彈性條體以產(chǎn)生魚鱗狀柔性防刺結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)方案具有廣泛的適應(yīng)性，將其應(yīng)用在凱夫拉防割手套上，用硅膠管來(lái)模擬人的手指在16 mJ的穿刺能量下進(jìn)行了測(cè)試，手套內(nèi)部的硅膠管沒(méi)有任何損傷。目前的防割產(chǎn)品大多存在防割不防刺的問(wèn)題，而在凱拉夫手套上覆蓋陶瓷片這種工藝能將防割和防刺有機(jī)結(jié)合在一起，既提高了其防護(hù)性能又不缺失手套的靈活性。

圖10 激光雕刻法仿魚鱗結(jié)構(gòu)制作流程

3 結(jié)論與展望

我國(guó)防刺織物的防刺類型單一，所用纖維材料成本高，開(kāi)發(fā)途徑缺少創(chuàng)新，仍以涂覆、層疊復(fù)合、加金屬絲/環(huán)等傳統(tǒng)方式為主，因此，仿生自然界中動(dòng)植物的防護(hù)機(jī)制，通過(guò)3D打印、激光雕刻技術(shù)等構(gòu)筑紡織結(jié)構(gòu)防刺材料，為防護(hù)裝備的開(kāi)發(fā)開(kāi)拓了新的思路。

但是也看到，目前仿生防刺基板多數(shù)仍處于孵化階段，在各種復(fù)雜環(huán)境中實(shí)踐應(yīng)用的防刺效果尚待檢驗(yàn)。而且這些防護(hù)基板的應(yīng)用領(lǐng)域以半硬質(zhì)防刺服且以局部防刺為主，舒適性仍不夠，成本也是居高不下。未來(lái)可著眼于如下方面的研究提高仿生設(shè)計(jì)的紡織結(jié)構(gòu)防刺材料的性能：

①繼續(xù)探尋自然界中各類生物的防護(hù)結(jié)構(gòu)，深入剖析其防刺機(jī)制，豐富紡織結(jié)構(gòu)防刺材料的仿生設(shè)計(jì)種類。

②突破局部防刺限制，從織物表面的仿生防護(hù)結(jié)構(gòu)的直接合成、防刺纖維材料和紡織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新等角度，多渠道開(kāi)發(fā)基于仿生設(shè)計(jì)的紡織結(jié)構(gòu)防刺材料，實(shí)現(xiàn)仿生防刺結(jié)構(gòu)在防護(hù)服上的整體作用發(fā)揮。