云手机网页版 神奇的非牛顿流体材料——从淀粉糊到防弹衣

武侠电影当中，常常会出现一种名为“水上漂”的轻功情景，拥有这种功夫施展技法的人，能够在水面之上进行奔跑，仿佛行走在平坦地面一般。然而在实际生活里面，企图在水上完成奔跑却是极为困难的。那么，究竟存在什么样的办法，才能够达成“水上漂”这一效果呢？

人在非牛顿流体上奔跑

一张快照里，图上的情景是什么，是有一个人在一种装满淀粉糊的液体里奔跑，这种淀粉糊呢是淀粉跟水混合而成的液体。当人站在这液体上面的时候，会出现怎样的情况，人会如同沉入水中那般，逐渐地沉入到其中。可是当人快速奔跑起来的时候，又会发生什么，踩踏的地方会在瞬间变得跟固体一样坚硬，能够支撑住人体的重量。而当脚步离开之后，又会怎样，踩踏的那个地方又会重新变回液体，就这样不断地重复，进而能够轻松地达成「水上漂」这种现象。

这里说的淀粉糊就是一类比较典型的非牛顿流体。

那么究竟什么才是非牛顿流体，它为什么会拥有这般神奇的能力？简单来讲，非牛顿流体是一类流体的统称的情况之下，世界上除去牛顿流体之外便都是非牛顿流体了，水、空气等这些可是都属于牛顿流体的，它们所具备的特点是粘度是不会发生改变的，以一种更为正式些的说法阐述便是其剪应力与剪切应变率之间呈现的是线性关系；然而像牛奶、沥青以及淀粉糊等这些却都属于非牛顿流体，它们所具有的特点是剪应力与剪切应变率之间呈现出的是非线性关系，也就是说粘度是会发生变化的。

典型的牛顿流体和非牛顿流体

但并不是所有的非牛顿流体都能实现「水上漂」。有一类在非牛顿流体里属于「特别的存在」，它们遇强就强、遇弱就弱，当受到外界的击打，还有冲击的时候，会变得「顽强」起来，展现出很强的抵抗力，甚至会变得如同固体一样坚硬；而当外界的击打、冲击没了或者是轻轻触碰的时候，它们又成了流体，国际上把这类非牛顿流体材料称作「剪切增稠液体」，英文名称是叫做STF（shear thickening fluid），淀粉糊属于非牛顿流体里的剪切增稠流体。

制成柔性防弹衣可利用剪切增稠特性，这种有着科幻感的「液体盔甲」，能像传统硬质防弹衣那样防弹，还克服了传统防弹衣坚硬、沉重的缺点。平时穿戴时它舒适柔软，一旦受到子弹冲击，着弹位置附近会立刻自动强化，冲击消失后，强化部位又重新变回液体。当然，和防弹衣结合的剪切增稠流体肯定不是淀粉糊，原因在于淀粉糊自身易腐、易变性、增稠能力弱且性状不稳定。专业领域通常采用的那种剪切增稠液体，是由二氧化硅微颗粒分散于聚合物溶液里形成的悬浮液。2003年，美国特拉华大学Wagner教授带领的课题组，开创性地把STF浸入芳纶Kevlar纤维织物中，进而开发出一种全新的防弹复合材料，还制备出了STF增强的防弹衣，于是软体防弹衣愈发受到关注。就国内方面而言，中国科学院力学研究所、中国科学技术大学以及北京理工大学等单位，在剪切增稠材料领域的研究，也收获了诸多成果。中国科学院力学研究所团队，在2018年于国际期刊Smart Materials and Structures上发表文章指出，剪切增稠液体对于冲击有神奇智能效应，其后续振动也有此效应，它具备物理滤波器的效用，能对高速冲击下的电子器件起到优异保护作用。从微观机理来讲，剪切增稠液体承受冲击力时，细微二氧化硅颗粒会聚在一起，这种行为如同「抱团取暖」，进而形成团簇效应，此时粘度会急剧上升，所以能获得强大抵抗力。可从本质层面来讲，于这进程里所出现的是一种物理方面的变化。然而，这类基于颗粒体系的液态防弹衣存有一个相对较大的不足，即于长时间搁置之后其中颗粒物质会产生结块变性现象，致使防弹效果下降，所以并未被大规模进行配发。

剪切增稠液体中「抱团取暖」的团簇效应

还有一类材料，如果承受冲击载荷过程中会发生化学键变化，这类材料叫做「剪切硬化胶」，和 STF 相比，剪切硬化胶不但展现出出色的柔韧性以及抗冲击性，并且具备比 STF 更出色的热稳定性与可塑性（流动性较差），实际应用更便利。在自然状态或者低速冲击情况下，剪切硬化胶处于松弛、柔软的粘流态，呈现出优异的柔韧性。随着外部冲击载荷增大，或者随着外部冲击频率增大，剪切硬化胶能够发生相变，从粘流态转变到高弹态，甚至转变到玻璃态kiayun手机版登录app游戏登录入口.手机端安装.cc，其宏观行为表现为模量急剧增大，所以能够更好地抵抗冲击变形，并且能够吸收冲击能量。当冲击载荷消失之后，剪切硬化胶不仅能够恢复到最初的粘流态，而且还能在断裂破碎后重新粘结，表现出优异的自修复特性。

剪切硬化胶的流动性

剪切硬化胶不同冲击速度下粘流态-高弹态-玻璃态转变

在国际上，剪切硬化胶比较通行的配方所采用的是一类聚合物材料，啥材料，是聚硼硅氧烷，它类似于生活中常见的橡皮泥。它依靠微观层面硼原子与氧原子构成的硼氧键的断裂速度迟滞效应，在自然状态下它是非常柔软的。然而每当承受冲击之时，硼氧键会提供非常强的抵抗力，并且冲击载荷越强，这种抵抗力的程度进而越大，是这样的情况。

剪切硬化胶的冲击硬化机理

发明了「遇软则软，遇硬则硬」的 D3O 材料这样一种属于剪切硬化胶体系的抗冲击材料的英国工程师 Richard，是在 1999 年完成此项发明的，这种材料在常态下极为柔软并且具备弹性，一旦遭遇到高速的冲击或者挤压，分子链马上就会相互锁定，材料进而变得坚硬以此来消耗外力，当外力消失之后，材料又会恢复到最初的柔性态，鉴于其具备出色的抗冲击性能以及优异的柔韧性，D3O 已然被大量应用于冲击防护领域。这种由 D3O 材料制成的护具，比传统护具更为轻巧，与防护部位贴合感更好，是一种能把自由活动与碰撞打击保护结合在一起的理想材料，然而，在低温环境下，D3O 材料容易硬化，其舒适性的程度和冲击防护的性能会大幅降低，进而严重影响人体的防护效能。

剪切硬化胶材料的应用方向

除此之外呢，有一种依托微结构情况的单分散空心微球，也呈现出比较不错的冲击强化特性。它的基本原理在于，要使得冲击的来源跟被保护的那个物体中间，形成一层空心的部分，大幅度地去削弱冲击波具备的强度。这个各类的材料，一般会运用滤液合成法等这类方法，去合成那种单分散的功能性纳米或者微米聚合物微球kiayun手机版登录入口，所制备的聚合物颗粒的粒径，处于数百纳米一直到数微米的范围之内，呈现出相关特性的微球表面，能够带有不一样类别的功能基团。

能够看到，这类呈现剪切增稠效应或者冲击硬化效应的材料种类繁多，存在颗粒悬浮液，存在聚合物材料，存在微球结构。这些材料发挥剪切增稠或者冲击硬化作用的基团，有的在颗粒层面，有的在分子层面，有的在原子层面，还有的依靠微结构特性。然而所有上述材料存在一个共同特点，即一般无法单独当作工程材料使用，都得与其他材料展开有机结合，才可以在最大程度上发挥其抗冲击特性。换一种说法来讲，对于这类材料工程化而言，最主要的瓶颈所在便是，怎样去有效地提取这类材料里的有效抗冲击组分kiayun手机版登录.v1008.点进白给你1888.中国，还要将其与现有的工程材料进行有机注入，进而形成全新的抗冲击工程材料。

中国科学院力学研究所团队，创新性地提出了柔性智能抗冲击材料因子这一概念，其英文名是 FIAM，也就是 Flexible Intelligent Anti-impact Material 的缩写，简称为 FIAM 因子。这一因子，指的是上述那一类功能性单元。这类单元，在介观 - 微观尺度具备应变率增强特征，并且能够通过微结构、分子和原子等不同层面，与传统工程材料相结合。在不改变材料初始性状的条件下，它可以提升对外部冲击载荷的智能响应能力。

我们能够将这一过程唤作FIAM因子定向赋能的工艺，其基本流程是，从多种上述冲击增强材料里，提取具备智能抗冲击的有效组分，以此形成备选因子，接着，依据不同的冲击条件，像子弹冲击、人体跌倒、屏幕冲击等，这些冲击条件存在很大差异，进行反向设计，挑选符合要求的因子，注入到传统材料之中，进而形成兼具可靠性和抗冲击性能的新型防护材料。

种类繁多的 FIAM 因子，按物理状态不同，能分成溶液型、凝胶型，还有固态型，按物化特性不同，它可分为水性、油性，按透光度不同，其可分为高透型、半透型，从应用场景上看，它又能分成光学材料因子、橡胶材料因子，以及泡沫材料因子等。

FIAM 因子分类

2021年，中国科学院力学研究所团队，在国际上首次验证了，剪切增稠胶体材料可降低防弹衣弹击后的钝性伤害，且效果显著。此后，历经2年攻关，成功从剪切增稠胶体中，提取出FIAM - S03因子抗冲击因子，进一步成功将其注入EVA（乙烯 - 醋酸乙烯共聚物）材料，形成独特抗冲击胞元结构，然而在宏观层面，完全未改变传统EVA的基本物性。运用这种材料，借助“刚柔并济”的多层复合结构，能极大程度降低子弹冲击给像心脏这类人体器官造成的钝性伤害，达成了柔性智能抗冲击防护技术的创新性变革。

FIAM 赋能新型柔性防弹衣

FIAM 因子赋能机理

中国科学院力学研究所团队，研发出来了 FIAM - G06 智能抗冲击因子，此之 FIAM 家族因子不单单能够用在军事领域中防弹衣的研制工作里，并且还能够运用在把军用电子元器件的抗振性能予以提升等方面，对 EP（环氧树脂）材料开展赋能设计，于国防某重大专项的支持之下，塑造出了具备超强振动抑制特性的 IMECAM 智能柔性电子灌封胶，相关成果获取到了权威机构的专业检测以及认证。结果显示出来，IMECAM 智能柔性电子灌封胶具备极为卓越的抗冲击振动性能，其最高能够把电子元器件冲击信噪比提高 20 倍。这款产品已然成功运用于多款导弹、火箭等关键电子器件的防护结构方面，达成重大技术成果的市场化转化。

灌封过后的 18650 锂电池组

FIAM因子存在可下沉至民用领域的情况，其能为动力电池领域赋能，也能为运动健身领域赋能，还能为柔性显示等领域赋能。最新实验结果显示，有采用FIAM因子注入技术形成的灌封胶体系，此体系能够提升电动汽车底盘的抗撞击性能，通过提升该性能可有效降低汽车碰撞时电池受损的概率，降低此概率便能够提升整车安全性。

灌封过后的 18650 锂电池组

IMECAM智能柔性电子灌封胶抗冲击减振

具有 FIAM - S04 因子，这本是面向运动健身领域、适用于低冲击环境的，现把它注入传统的 TPE（热塑性弹性体）材料里，由此形成一款新型瑜 ISHELTER 伽垫产品，它集舒适、柔软、回弹、静音于一体。测试结果说明，这种瑜伽垫能显著降低在做大幅瑜伽动作时对膝部、肘部产生的压力，进而有效避免对人体关节造成疲劳损伤。该产品连续两年登上亚洲最大的户外展——ISPO 运动用品与时尚展，受到瑜伽爱好者广泛好评。

智能瑜伽垫

智能瑜伽垫缓解人体运动压力

如今这个階段，FIAM因子赋予能量的技术已然拓展至帶有柔韧性的明晰领域。OLED具备韧性的显示模组抵抗冲击的性能薄弱从来都是限定柔韧性显示器件广泛运用的一个关键要点，然而在改进显示组件抵抗冲击性能的层面面临着以前从未有过的难题——既要提高抵抗冲击这种性能，还得保证材料拥有高通透光线的程度。FIAM因子被注入到显示模组的各个层次的材料之中能够依据应用的需求以及力学方面的情景，满足不一样的光学以及防护等性能方面的需求，将会极大地提高显示组件抵抗冲击的性能，拥有充满希望的应用前景。

自“水上漂”之“淀粉糊”起算，而后到“液体盔甲”那种柔性防弹衣，剪切增稠材料始终为近些年国内外研究前沿里面的一个热点之处，国内跟国外历经长时期的研究，已获取诸多经验与成果了。并且在工程化这个层面，我国现有粉体、固态以及液态等多种形态的FIAM因子，根据不同应用场景被应用于包含防弹衣在内的灌封胶、动力电池、柔性显示模组、运动健康等诸多领域。