液体防弹衣工作原理
在过去的几千年中,防弹衣的基本原理没有什么太大的变化。首先,它用于阻止武器和弹药直接接触人体;其次,它分散了武器的能量,降低对人体的伤害。尽管不是在任何情形下都能起到作用,但盔甲基本上能保护人们免受武器——尤其是来自那些正规武器——的袭击,避免受到严重伤害或死亡。
多年来,人们不得不发明更强大、更先进的盔甲以应对愈来愈高级的武器。然而,尽管经过多次改进,现代防弹衣依然有着与古代盔甲相似的缺陷。无论是用金属板还是纤维制作的盔甲都很笨重,而且许多种类的盔甲都很坚硬,不适用于胳膊、腿和脖子。因此,中世纪时期的金属盔甲设计了缝隙和接口以便于人们的行动,今天的防弹衣主要用于保护头部和躯干。
古代的盔甲与今天的防弹衣很像,都是用于保护人们免受武器的伤害,不过它们也同样沉重、体积巨大而且不灵活。
一种最新式的防弹衣既灵活又轻便。说来也奇怪,这种改进是由于将液体加入到现有的防弹衣材料中。当然,它还没有完全投入战斗,研究人员声称这种液体防弹衣有取代或辅助现有防弹背心的潜质。最终,士兵、警察和其他人可能都将使用这种防弹衣来保护胳膊和腿。
目前主要的两种液体防弹衣都是使用杜邦公司的凯夫拉防弹纤维,这种纤维通常用于制作防弹背心。当一颗子弹或者弹片击中凯夫拉防弹背心的时候,防弹材料层会将力量分散至一个大的表面。
子弹也可以使凯夫拉防弹纤维伸张,慢慢的消耗弹道的力量并减缓子弹的速度。这个原理与汽车的安全气囊一样,安全气囊可以分散碰撞时产生的压力,并减缓人体躯干的运动。尽管凯夫拉是一种纤维,凯夫拉防弹衣却不会像普通衣服一样摆动和起褶皱。
通常,阻挡一颗子弹需要用到20—40层凯夫拉防弹纤维,因此,防弹衣都很坚硬,重量也不轻,一件没有陶瓷保护层的防弹衣也重达4.5千克以上。有两种液体可以使凯夫拉防弹衣使用较少的纤维层,让它变得更轻更灵活。这两种材料有一种共性——它们都对刺激反映强烈。接下来,我们将介绍它们是由什么制成的,以及为什么会有这种功能?
剪切增稠液体防弹衣
“液体防弹衣”这个词可能会误导一些人,让他们以为是将流动的液体填充在固体纤维层间。然而,这两种目前正在研究的液体防弹衣都没有一个可见的液体层。反之,是将防弹纤维浸泡在这两种液体的其中一种中。
剪切增稠液体用于防弹衣的制作。
第一种液体是剪切增稠液体(STF),当它遇到机械应力或者剪切时,就会变得如同固体一般坚硬。换句话说,在没有外力作用前,它像液体一样流动,但在被其他物体强烈的撞击或者摇动后,它会在几毫秒内变硬。与剪切增稠物质相反的是油漆,当它被用力摇动或者搅拌时会变的更稀薄。
用同等分量的玉米淀粉和水做一个小实验,您可以看到类似于剪切增稠的效果。如果您缓慢的搅动,玉米淀粉会像液体一样移动。但是当您用力敲击它,它的表面会突然变坚固。您也能把它捏成球状,但是,当您停止施加压力,小球就破碎了。
现在让我们来看这一过程是如何进行的。剪切增稠液体是胶质的,一种非常微小的粒子悬浮在液体中。这种粒子相互之间有轻微的排斥,因此它们可以轻易的穿过液体,而不是结成块或者沉淀在底部。但是当突然的重压超过了这种排斥力的时候,它们开始团结起来,形成水冷集群。当外部能量消散,粒子之间又开始重新排斥,水冷集群也散开,然后固体恢复成了液体。
受到撞击前,剪切增稠液体的粒子在平衡状态,受到撞击后,它们凝结成块,形成固定结构。
这种在防弹衣中使用的液体是由悬浮在聚乙二醇中的二氧化硅——沙子和石英中的一种成分——粒子制成。聚乙二醇是一种聚合物,通常用于轻泻剂和润滑剂中。二氧化硅粒子的直径只有几毫微米,许多报道将这种液体描绘为纳米技术的一种形式。
用剪切增稠液体制作防弹衣时,研究人员首先用酒精稀释液体,然后,他们将凯夫拉纤维泡在稀释后的液体中,再放进烤箱中蒸发掉酒精。这样剪切增稠物质就渗入了凯夫拉纤维中了,而纤维也适时的固定住这种充满粒子的液体。
当一个物体敲击凯夫拉纤维时,液体会立刻变硬,让凯夫拉纤维更牢固。变硬只是几毫秒内的事,很快,这件防弹衣又变得柔韧了。在实验室测试中,加入了剪切增稠物质的凯夫拉纤维非常柔软平滑,不同的是它变得更强大。
使用剪切增稠液体的防弹衣只需要较少的夹层,4层加了剪切增稠液体的凯夫拉防弹衣能够起到与14层普通凯夫拉纤维同样的作用。此外,加了剪切增稠液体的纤维没有普通纤维在冲击时伸展的更长,这就意味着子弹也不会像射入普通纤维时穿透的那么深。研究人员认为,这是因为子弹要用更多的能量作用于剪切增稠液体纤维的伸展。
添加了剪切增稠液体后的防弹衣被子弹击时的反映。
剪切增稠液体防弹衣的研究主要在美国军队研究室和特拉华州大学进行,麻省理工学院的研究人员则在进行着另外一种用于防弹衣的液体的研究,接下来让我们去看一下他们研究的是什么吧。
磁流变液体防弹衣
另一种可以加固凯夫拉防弹衣的材料是磁流变液体(MRF)——一种充满铁粒子的油状物。通常,液体中的表面活性剂环绕着粒子,并保持它们悬浮在液体中。一般来说,铁粒子占总液体容量的20—40%。铁粒子非常小,只有3—10微米。
不过,它们对液体的粘滞度有很大的影响。在磁场环境下,粒子排成一列,液体迅速变得浓稠。名词“磁流变液”就是来自于这种效果。流变学是力学的一个分支,主要关注力和物质形状改变之间的关系。磁力可以同时改变磁流变液体的形状和粘度。
当暴露于磁场时,磁流变液中的粒子顺着场力线排成一列。
液体的硬化过程只需1/20000秒。效果的剧烈程度随液体的成分、大小、形状和磁场的强度而不同。例如,刚开始麻省理工学院研究人员使用球形铁粒子,这些铁粒子即便在磁场下也可以彼此滑过,这会影响防弹衣的加固,因此,研究人员转而研究其他形状的铁粒子,以其得到更好的效果。
就像剪切增稠液体,您也可以通过一些普通的现象来认识到磁流变液的效果。将铁粉与油混合就可以制造一个非常棒的现场展示。当没有磁场存在的时候,液体可以非常轻易的流动。
但是一块磁铁便可以使液体变得更加粘稠,或者变成一种与盛它的容器不同的形状。有时候,差异可以从表面看出来,液体会形成明显的尖形、槽型和其他各种形状。艺术家们甚至使用磁铁、磁流变液体或其他的铁磁流体来创作艺术作品。
用正确的材料密度、粒子形状和磁场强度,磁流变液体可以从流体变为非常紧密的固体,就像剪切增稠液体,这种改变可以迅速增加防弹衣的强度。这种技术的关键因素在于如何诱发流体的改变。要引起一整套防弹衣内磁流变液体的改变需要足够大的磁铁,这将使防弹衣变得很重,不便于随身携带,因此研究人员打算在防弹衣内部使用细电路。
置于磁场前后的磁流变液体。
没有电流流过电线,防弹衣会很柔韧,但是打开开关后,电流开始在电线中流动,制造出一个磁场,这个磁场会立刻使防弹衣变得更硬、更坚固。将开关拨到相反的位置后,电流停止流动,防弹衣变回柔韧。除了用来制造更强大、轻便、柔韧的防弹衣,添加了剪切增稠液体和磁流变液体的纤维也有其他用途。
比如,用来制作容易折叠和携带的抑爆毯,保护周围人不受爆炸和弹片的袭击。用于制作遇到撞击时可以变得坚硬的跳伞靴,保护空降兵的脚不受损伤。液体防弹服也可以用来制作狱警的制服,因为狱警常常要面对钝器和自制刀刃的袭击。然而,比起剪切增稠液体,磁流变液体技术的应用存在一定弊端,请看下表:
这两种防弹衣目前都还没有做好参加战斗的准备。剪切增稠液体凯夫拉防弹服在2007年底可以投入使用。磁流变液体防弹服还需要5—10年的研究和改进,才可以保持稳定的防弹性能。
