神奇的非牛頓流體材料——從淀粉糊到防彈衣

????????警用裝備網(wǎng)訊：?對(duì)于非牛頓流體大家可能知道它的這個(gè)特性：你柔它也柔，你強(qiáng)它則剛 ?？墒悄阒浪心男昂诳萍肌钡倪\(yùn)用嘛？今天我們來看看中國科學(xué)院力學(xué)研究所的陳玉超、魏延鵬兩位老師帶來的科普文章，一起了解非牛頓流體的奧妙吧~

　　武俠電影里常常出現(xiàn)輕功“水上漂”的場(chǎng)景，具有此功法的人在水面上奔跑，如履平地。而在現(xiàn)實(shí)中，在水上奔跑卻很難實(shí)現(xiàn)。那么有什么方法能實(shí)現(xiàn)“水上漂”嗎？

人在非牛頓流體上奔跑

　　上圖中是一個(gè)人在裝滿淀粉糊（淀粉與水的混合液體）中奔跑的快照。當(dāng)站在液體上面時(shí)，人會(huì)像沉入水中一樣沉入其中；但當(dāng)人快速奔跑時(shí)，踩踏處會(huì)瞬間變得如固體一樣堅(jiān)硬，支撐住人體的重量；當(dāng)腳步離開時(shí)，踩踏的地方又重新變回液體，如此往復(fù)，從而輕松實(shí)現(xiàn)“水上漂”。

　　這里說的淀粉糊就是一類比較典型的非牛頓流體。

　　那么什么是非牛頓流體，它為何有如此神奇的能力？簡(jiǎn)單地說，非牛頓流體是一類流體的總稱，世界上除了牛頓流體就是非牛頓流體，水、空氣等都屬于牛頓流體，它們的特點(diǎn)是粘度是不變的，正式一點(diǎn)說法是其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間是線性關(guān)系；而像牛奶、瀝青以及淀粉糊“等都屬于非牛頓流體，它們的特點(diǎn)是剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間呈非線性關(guān)系，也就是粘度是變化的。

典型的牛頓流體和非牛頓流體

　　但并不是所有的非牛頓流體都能實(shí)現(xiàn)“水上漂”。非牛頓流體里有一類“特別的存在”，它們遇強(qiáng)則強(qiáng)、遇弱則弱，當(dāng)受到外界擊打、沖擊的時(shí)候，會(huì)變得“頑強(qiáng)”起來，表現(xiàn)出很強(qiáng)的抵抗力，甚至?xí)兊孟窆腆w一樣堅(jiān)硬；而當(dāng)外界的擊打、沖擊消失或者輕輕觸碰的時(shí)候，它們又變成了流體，國際上將這類非牛頓流體材料稱為“剪切增稠液體”，英文名稱叫做STF（shear thickening fluid），淀粉糊就是屬于非牛頓流體中的剪切增稠流體。

　　利用剪切增稠特性可以制成柔性防彈衣，這種具有科幻感的“液體盔甲”不僅可以像傳統(tǒng)硬質(zhì)防彈衣防彈一樣防彈，還克服了傳統(tǒng)防彈衣堅(jiān)硬、沉重的特點(diǎn)，平時(shí)穿戴舒適柔軟，一旦受到子彈沖擊時(shí)，著彈位置附近會(huì)立即自動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)化，當(dāng)沖擊消失，強(qiáng)化部位重新變?yōu)橐后w。當(dāng)然，與防彈衣結(jié)合的剪切增稠流體肯定不是淀粉糊，這是因?yàn)榈矸酆陨硪赘?、易變性、增稠能力較弱且性狀不穩(wěn)定。專業(yè)領(lǐng)域一般采用的剪切增稠液體是采用二氧化硅微顆粒分散在聚合物溶液中形成的懸浮液。2003年，美國特拉華大學(xué)Wagner教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組開創(chuàng)性地將STF浸入芳綸Kevlar纖維織物中從而開發(fā)出一種新的防彈復(fù)合材料并制備出STF增強(qiáng)的防彈衣，軟體防彈衣越來越受到關(guān)注。在國內(nèi)，中國科學(xué)院力學(xué)研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及北京理工大學(xué)等單位對(duì)于剪切增稠材料的研究也取得了大量的成果。中國科學(xué)院力學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)于2018年在國際期刊Smart Materials and Structures上發(fā)表文章指出，剪切增稠液體對(duì)于沖擊及其后續(xù)的振動(dòng)具有神奇的智能效應(yīng)，具備物理濾波器的效用，能夠?qū)υ诟咚贈(zèng)_擊下的電子器件起到很好的保護(hù)作用。從微觀機(jī)理上講，剪切增稠液體在承受沖擊力的時(shí)候，細(xì)微的二氧化硅顆粒會(huì)聚在一起“抱團(tuán)取暖”，形成團(tuán)簇效應(yīng)，粘度急劇上升，從而獲得強(qiáng)大的抵抗力。但從本質(zhì)上來說，這中間發(fā)生的是一種物理的變化。然而，這種基于顆粒體系的液態(tài)防彈衣存在一個(gè)比較大的缺陷，就是在長(zhǎng)時(shí)間放置后其中顆粒物質(zhì)會(huì)發(fā)生結(jié)塊變性，降低防彈效果，因此并沒有被大規(guī)模配發(fā)。

剪切增稠液體中“抱團(tuán)取暖”的團(tuán)簇效應(yīng)

　　還有一類材料在承受沖擊載荷時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)鍵變化的材料，叫做“剪切硬化膠”，與STF相比，剪切硬化膠不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性和抗沖擊性，而且還具有比STF更為優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和可塑性（流動(dòng)性較弱），實(shí)際應(yīng)用更為方便。在自然狀態(tài)或低速?zèng)_擊下，剪切硬化膠處于松弛、柔軟的粘流態(tài)，表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性。隨著外部沖擊載荷（或頻率）的增大，剪切硬化膠能夠發(fā)生從粘流態(tài)到高彈態(tài)，甚至玻璃態(tài)的相變，宏觀行為表現(xiàn)為模量的急劇增大，因而能夠更好的抵抗沖擊變形并吸收沖擊能量。當(dāng)沖擊載荷消失后，剪切硬化膠不僅能夠恢復(fù)至最初的粘流態(tài)，而且還能在斷裂破碎后重新粘結(jié)，表現(xiàn)出優(yōu)異的自修復(fù)特性。

剪切硬化膠的流動(dòng)性

剪切硬化膠不同沖擊速度下粘流態(tài)-高彈態(tài)-玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變

　　剪切硬化膠國際上比較通行的配方是采用一類聚合物材料——聚硼硅氧烷，類似于生活中常見的橡皮泥。依靠微觀層面的硼原子與氧原子構(gòu)成的硼氧鍵的斷裂速度遲滯效應(yīng)，在自然狀態(tài)下非常柔軟，而在承受沖擊時(shí)，硼氧鍵會(huì)提供非常強(qiáng)的抵抗力，而且沖擊載荷越強(qiáng)，抵抗力越大。

剪切硬化膠的沖擊硬化機(jī)理

　　英國工程師Richard于1999年發(fā)明了“遇軟則軟，遇硬則硬”的D3O材料就屬于剪切硬化膠體系的抗沖擊材料，在常態(tài)下很柔軟且具有彈性，一旦遇到高速的沖擊或擠壓，分子鏈立刻相互鎖定，材料變得堅(jiān)硬從而消耗外力。當(dāng)外力消失后，材料會(huì)恢復(fù)到最初的柔性態(tài)。由于其出色的抗沖擊性能和優(yōu)異的柔韌性，D3O已經(jīng)被廣泛用于沖擊防護(hù)領(lǐng)域。由D3O材料制成的護(hù)具比傳統(tǒng)護(hù)具更為輕巧，并且與防護(hù)部位貼合感更好，是一種可以將自由活動(dòng)與碰撞打擊保護(hù)結(jié)合在一起的理想材料。然而，在低溫環(huán)境下，D3O材料容易硬化，其舒適性和沖擊防護(hù)性能會(huì)大幅降低，從而嚴(yán)重影響人體的防護(hù)效能。

剪切硬化膠材料的應(yīng)用方向

　　此外，一種基于微結(jié)構(gòu)的單分散空心微球也展現(xiàn)出較好沖擊強(qiáng)化特性。其基本原理就是讓沖擊源與被保護(hù)物體之間形成空心層，大幅衰減沖擊波的強(qiáng)度。這類材料一般采用濾液合成法等方法來合成單分散的功能性納米/微米聚合物微球，制備的聚合物顆粒粒徑在數(shù)百納米到數(shù)微米之間，微球表面可帶有不同功能基團(tuán)。

　　可以看到，這類具有剪切增稠效應(yīng)或者沖擊硬化效應(yīng)材料有很多種，有顆粒懸浮液，有聚合物材料，有微球結(jié)構(gòu)。這些材料發(fā)揮剪切增稠作用或者沖擊硬化作用的基團(tuán)有的在顆粒層面，有的在分子，有的在原子層面，也有的依靠微結(jié)構(gòu)特性。但所有上述材料有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是一般不能單獨(dú)作為工程材料使用，都需要與其他材料進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，才能夠在最大程度上發(fā)揮其抗沖擊特性。換句話說，影響這類材料工程化的最主要瓶頸就是如何有效的提取這類材料中的有效抗沖擊組分，并與現(xiàn)有的工程材料進(jìn)行有機(jī)注入，形成全新的抗沖擊工程材料。

　　中國科學(xué)院力學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出柔性智能抗沖擊材料因子這一概念，英文名FIAM（Flexible Intelligent Anti-impact Material），簡(jiǎn)稱FIAM因子，是指上述這一類在介觀-微觀尺度具備應(yīng)變率增強(qiáng)特征，并可以通過微結(jié)構(gòu)、分子和原子等不同層面與傳統(tǒng)工程材料結(jié)合，在不改變材料初始性狀的條件下，提升對(duì)外部沖擊載荷的智能響應(yīng)能力的功能性單元。

　　我們可以把這一過程叫做FIAM因子定向賦能的工藝，其基本流程是對(duì)多種上述沖擊增強(qiáng)材料中具備智能抗沖擊的有效組分進(jìn)行提取形成備選因子，再根據(jù)不同的沖擊條件（子彈沖擊、人體跌倒、屏幕沖擊等沖擊條件具有很大的區(qū)別）進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，選擇符合要求的因子注入到傳統(tǒng)材料當(dāng)中，形成兼具可靠性和抗沖擊性能的新型防護(hù)材料。

　　FIAM因子種類繁多，按照物理狀態(tài)不同，可以分為溶液型、凝膠型和固態(tài)型；按照物化特性的不同，F(xiàn)IAM因子可以分為水性和油性；按照透光度的不同，F(xiàn)IAM因子可以分為高透型、半透型，而從應(yīng)用場(chǎng)景上又可分為光學(xué)材料因子、橡膠材料因子及泡沫材料因子等。

FIAM因子分類

表 現(xiàn)階段中科院力學(xué)所團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)完成FIAM因子體系

　　中國科學(xué)院力學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)在國際上在2021年首次驗(yàn)證了剪切增稠膠體材料在降低防彈衣彈擊后鈍性傷害具有明顯效果。之后經(jīng)過2年的攻關(guān)，成功的從剪切增稠膠體中提取出FIAM-S03因子抗沖擊因子，并成功將其注入到EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）材料當(dāng)中形成獨(dú)特的抗沖擊胞元結(jié)構(gòu)，但在宏觀上完全不改變傳統(tǒng)EVA的基本物性。利用這種材料并輔助”剛?cè)岵?jì)”的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，可大幅降低子彈沖擊對(duì)諸如心臟等人體器官產(chǎn)生的鈍性傷害，實(shí)現(xiàn)了柔性智能抗沖擊防護(hù)技術(shù)的創(chuàng)新性變革。

FIAM賦能新型柔性防彈衣

FIAM因子賦能機(jī)理

　　FIAM因子在軍事領(lǐng)域不僅可以用于防彈衣的研制，還可以用于提高軍用電子元器件的抗振性能等方面，中國科學(xué)院力學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)研發(fā)出FIAM-G06智能抗沖擊因子，對(duì)EP（環(huán)氧樹脂）材料進(jìn)行賦能設(shè)計(jì)，在國防某重大專項(xiàng)支持下，形成了超強(qiáng)振動(dòng)抑制特性的IMECAM智能柔性電子灌封膠，相關(guān)成果獲得權(quán)威機(jī)構(gòu)的專業(yè)檢測(cè)和認(rèn)證。結(jié)果表明，IMECAM智能柔性電子灌封膠具有非常優(yōu)異的抗沖擊振動(dòng)性能，最高能將電子元器件沖擊信噪比提升20倍。該產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用在多款導(dǎo)彈、火箭等關(guān)鍵電子器件的防護(hù)結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)成果市場(chǎng)化轉(zhuǎn)化。

灌封過后的18650鋰電池組

　　FIAM因子還可下沉到民用領(lǐng)域，賦能動(dòng)力電池、運(yùn)動(dòng)健身及柔性顯示等領(lǐng)域。最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用FIAM因子注入技術(shù)形成的灌封膠體系，能夠提升電動(dòng)汽車底盤的抗撞擊性能，從而有效降低汽車碰撞時(shí)電池受損的概率，提升整車安全性。

灌封過后的18650鋰電池組

IMECAM智能柔性電子灌封膠抗沖擊減振

　　面向運(yùn)動(dòng)健身領(lǐng)域，適用于低沖擊環(huán)境的FIAM-S04因子，注入傳統(tǒng)的TPE（熱塑性彈性體）材料當(dāng)中，形成了一款集舒適、柔軟、回彈、靜音于一體的新型瑜ISHELTER伽墊產(chǎn)品。測(cè)試結(jié)果表明，這種瑜伽墊能夠顯著降低在進(jìn)行大幅瑜伽動(dòng)作時(shí)對(duì)膝部、肘部產(chǎn)生的壓力，從而有效避免對(duì)人體關(guān)節(jié)造成的疲勞損傷。該產(chǎn)品連續(xù)兩年登陸亞洲最大的戶外展——ISPO運(yùn)動(dòng)用品與時(shí)尚展，受到瑜伽愛好者的廣泛好評(píng)。

智能瑜伽墊

智能瑜伽墊緩解人體運(yùn)動(dòng)壓力

　　現(xiàn)階段，F(xiàn)IAM因子賦能技術(shù)已經(jīng)延伸到柔性顯式領(lǐng)域。OLED柔性顯示模組抗沖擊性能弱一直是制約柔性顯示器件大范圍應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問題，而在改善顯示組件抗沖擊性能方面面臨著前所未有的挑戰(zhàn)——既要提升抗沖擊性能，也要確保材料的高透光度。FIAM因子注入到顯示模組的各層材料當(dāng)中能夠根據(jù)應(yīng)用需求和力學(xué)場(chǎng)景，滿足不同的光學(xué)和防護(hù)等性能需求，將大幅提升顯示組件抗沖擊性能，具有光明的應(yīng)用前景。

　　從“水上漂”的“淀粉糊“，再到“液體盔甲”的柔性防彈衣，剪切增稠材料一直是近年來國內(nèi)外研究前沿?zé)狳c(diǎn)之一，國內(nèi)外經(jīng)過長(zhǎng)期的研究，獲得了大量經(jīng)驗(yàn)和成果。而在工程化方面，我國已經(jīng)擁有粉末、固態(tài)和液態(tài)多種相態(tài)的FIAM因子，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)用在包括防彈衣在內(nèi)的灌封膠、動(dòng)力電池、柔性顯示模組、運(yùn)動(dòng)健康等廣泛領(lǐng)域。

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