pg下载官方认证 神奇的非牛顿流体材料——从淀粉糊到防弹衣

在武侠电影之中，常常会出现轻功“水上漂”这样的场景，具有此种功法的人，可以在水面之上奔跑pg下载官方版打开即玩v1022.速装上线体验.中国，仿佛行走在平地上一般。然而，在现实的情况里pg下载渠道，要在水面之上奔跑，却是颇为困难而难以达成的。那么，究竟存在着什么样的方法，能够实现“水上漂”这一效果呢？

人在非牛顿流体上奔跑

在上图里，呈现的是这样一幅情景，有一个人处于装满淀粉糊的环境中，这里的淀粉糊是淀粉与水混合而成的液体，此时拍摄到了此人奔跑的快照。当这个人站在这种液体上面的时候，他会如同沉入水中那般沉入其间。然而，当这个人快速奔跑起来的时候，其踩踏之处会在瞬间变得好像固体一样坚硬，能够支撑住人体的重量。当脚步离开之后，刚刚踩踏的地方又会再次变回液体，就这样循环往复，进而能够轻松地达成“水上漂”的效果。

这里说的淀粉糊就是一类比较典型的非牛顿流体。

首先要说，到底什么才是非牛顿流体呢，它为什么会具备那样神奇的能力呀？简单来讲，非牛顿流体是一类流体的概括说法，在这个世界上，除去牛顿流体剩下的就是非牛顿流体了，水、空气这类都归属于牛顿流体，它们有着粘度不变的特性，更正式些的讲法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、沥青以及淀粉糊这些都属于非牛顿流体，它们的特性是剪应力与剪切应变率之间呈现出非线性关系，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”，这类存在遇强就强、遇弱就弱，当受到外界的击打、冲击，会变得“顽强”，展现出很强的抵抗力，甚至会变得像固体一样坚硬，而当外界的击打、冲击消失或者轻轻触碰时，它们又变成了流体，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STF（shear thickening fluid），淀粉糊是属于非牛顿流体中的剪切增稠流体。

能利用剪切增稠特性制成柔性防弹衣，这种有着科幻感的“液体盔甲”，它不仅如同传统硬质防弹衣那样具备防弹能力，还克服了传统防弹衣坚硬、沉重的特性，平常穿戴时舒适又柔软，一旦遭受子弹冲击，着弹附近位置会马上自动强化，直至冲击消失，强化部位又重新变回液体。当然，和防弹衣相结合的剪切增稠流体绝非淀粉糊，是因淀粉糊自身容易腐败、容易变性，增稠能力欠佳且性状不稳定。专业领域通常采用的剪切增稠液体，是二氧化硅微颗粒分散于聚合物溶液里而形成的悬浮液，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STF增强的防弹衣，软体防弹衣愈发受到关注，在国内，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，对于剪切增稠材料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年的时候，于国际期刊Smart Materials and Structures上发表了文章，文章指出，剪切增稠液体对于冲击，以及冲击后续产生的振动，有着神奇的智能效应，它具备物理滤波器的效用，能够对处于高速冲击下的电子器件起到良好的保护作用。从微观机理方面来讲，当剪切增稠液体承受冲击力时，细微的二氧化硅颗粒会聚集在一起，呈现“抱团取暖”的状态，进而形成团簇效应，其粘度会急剧上升，由此获得强大的抵抗力。但就本质而言，这中间所出现的属于一种物理方面的变化，然而，这种以颗粒体系为基础的液态防弹衣存有一个相对较大的缺陷，便是在长时间放置以后其中颗粒物质会形成结块变性，致使防弹效果降低，所以并未被大规模配发 。

剪切增稠液体中“抱团取暖”的团簇效应

有一类材料，这类材料在承受冲击载荷时会出现化学键变化，它被称作“剪切硬化胶”，和STF比起来，剪切硬化胶不但展现出出色的柔韧性以及抗冲击性，并且还具备比STF更加出色的热稳定性，还有可塑性（流动性比较弱），实际应用更为便利，在自然状态或者低速冲击的状况下，剪切硬化胶处于松弛、柔软的粘流态，呈现出优异的柔韧性。随着由冲击产生在外加的、具有一定冲击力作用的负荷，或者其发生变化的频率不断增大，有一种特定剪切硬化的胶，它能够出现一种转变现象；该转变是从具有流动性的粘流状态过渡变化到呈现出高弹性的高弹状态，甚至能够变化到类似玻璃般坚硬的玻璃态；这种基于状态改变所产生的宏观特性表现为材料的模量会急剧增大，因此它能够比其他状态下更具优势地良好抵抗冲击所导致的变形，并且还能够吸收冲击所带来的能量。当冲击所产生的载荷消失之后一种特定胶水不但能够恢复到最开始时的具有流动性的粘流状态，而且在因冲击而断裂破碎之后还能够重新粘结在一起，从而表现出一种优异的拥有自我修复能的特性 。

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

国际上通行的剪切硬化胶配方采用的是一类聚合物材料，即聚硼硅氧烷，它类似于生活中常见的橡皮泥，其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pg下载网站麻将胡了，在自然状态下极为柔软，然而在承受冲击时，硼氧键会提供极强的抵抗力，并且冲击载荷越强，抵抗力越大。

剪切硬化胶的冲击硬化机理

1999年，有个叫Richard的英国工程师，发明出了一种叫D3O的材料，这种材料属于剪切硬化胶体系的抗冲击材料，它有着“遇软则软，遇硬则硬”的特性，在常态的时候，它十分柔软，还具备弹性，一旦碰到高速的冲击或者挤压，分子链马上就会相互锁定，致使材料变得坚硬，进而消耗外力，当外力没了以后，材料又会恢复到起初的柔性态，因为它有着出色的抗冲击性能以及优异的柔韧性，所以D3O已经被广泛应用于冲击防护领域。由D3O材料制作而成的护具，相较于传统护具是更为轻巧的，它们与防护部位的贴合感是更好的，是一种能够把自由活动跟碰撞打击保护融合在一起的理想材料。然而，于低温环境当中，D3O材料易于硬化，其舒适性以及冲击防护性能会大幅度降低，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

另外，有一种以微结构为基础的单分散空心微球，也呈现出较好的冲击强化特性。它的基本原理，就是要使冲击源跟被保护物体之间，形成空心层，从而大幅衰减冲击波的强度。这类材料，通常运用滤液合成法等方式，来合成单分散的功能性纳米/微米聚合物微球，所制备的聚合物颗粒粒径，处于数百纳米到数微米的范围之间，微球表面能够带有不同功能基团。

那么可以看到，这类拥有剪切增稠效应或者冲击硬化效应的材料着实有许多种类，存在譬如颗粒悬浮液这般的，存在聚合物材料这类的，还存在微球结构这类的。这些材料用以发挥剪切增稠作用或者冲击硬化作用的基团，有的是在颗粒层面，有的是在分子层面，有的是在原子层面，并且也有的是依靠微结构特性去发挥作用的。然而所有上述提及的材料存在一个共同的特点，那便是一般而言不能够单独作为工程材料来使用，都需要与其他材料进行有机结合，才能够在最大程度之上发挥其抗冲击特性。也可以这么讲，对于这类材料而言，工程化进程所面临的最为关键的阻碍在于，怎样以高效的方式，从这类材料当中提取出具备有效抗冲击性能的成分，并且与现有的用于工程方面的材料进行有机融合，进而塑造出全新的、具备抗冲击能力的工程材料。

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（Flexible Intelligent Anti - impact Material），简称为FIAM因子，它是指一类功能性单元，这类单元在介观 - 微观尺度具备应变率增强特征，还能够通过微结构、分子和原子等不同层面与传统工程材料结合，并且在不改变材料初始性状的条件下，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称作IFIAM因子定向施予能量的工艺，它的基本流程是，从多种上述冲击强化材料里，提取出拥有智能抵抗冲击有效成分的，形成备选因子。接着，按照不同的冲击情形，其中包括子弹冲击、人体跌倒、屏幕冲击等冲击条件有着显著差异的情况，进行逆向设计。而后，挑选出符合要求的因子注入到传统材料内，进而形成同时具备可靠性与抗冲击性能的新型防护材料。

FIAM因子有多种类别，依据物理状态不一样，能分成溶液型、凝胶型以及固态型；按照物化特性的差异，FIAM因子可被分为水性和油性；依照透光度的不同，FIAM因子能划分为高透型、半透型，并且从应用场景方面又能够分为光学材料因子、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，剪切增稠胶体材料在降低防弹衣弹击后钝性伤害方面，具有明显效果。此后，经过2年攻关。成功从剪切增稠胶体中，提取出抗冲击因子FIAM-S03。并成功将其注入到EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）材料中。形成独特的抗冲击胞元结构。且在宏观上，完全不改变传统EVA的基本物性。通过运用这种材料，并且借助“刚柔并济”的多层复合结构，能够极大程度地减少子弹冲击给人体器官比如心脏等带来的钝性伤害，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，研发出了FIAM - G06智能抗冲击因子，此因子属于FIAM因子，该团队对EP（环氧树脂）材料进行赋能设计，这一设计在国防某重大专项支持下，形成了IMECAM智能柔性电子灌封胶，此灌封胶具有超强振动抑制特性，FIAM因子在军事领域，不仅能用于防弹衣的研制，还可用于提高军用电子元器件的抗振性能等方面，相关成果获得权威机构的专业检测和认证。结果显示出来，IMECAM智能柔性电子灌封胶具备极为出色显著的抗冲击振动性能，其最高能够把电子元器件冲击信噪比提高增大至20倍。这款产品已然成功地运用在了多款导弹、火箭等关键重要的电子器件的防护结构之上，达成了重大显著的技术成果向市场化转变转化。

灌封过后的18650锂电池组

FIAM因子能够下沉到民用领域，为动力电池、运动健身以及柔性显示等领域提供能力支持。最新的实验所呈现出的结果显示，通过采用FIAM因子注入这项技术而形成的灌封胶体系，具备提升电动汽车底盘抗撞击性能的作用发挥，进而可以有效降低在汽车发生碰撞时电池受到损害的可能性，最终达成提升整车安全性的效果。

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

处于运动健身范畴之内的，适合于低冲击状况的FIAM - S04因子，被投入到传统存在的TPE（热塑性弹性体）材料里，造就了一款将舒适、柔软、回弹、静音这几种特性聚合在一起成为一体的新式瑜伽垫产品。测试所得结果显示出，这样的瑜伽垫可行使显著降低在开展幅度较大的瑜伽动作之际致使膝部、肘部承受的压力的使命，进而能够有效地规避对人体关节造成的疲劳损伤情况。这款产品连续两年登上了亚洲规模最大的户外展会——ISPO运动用品与时尚展览会，获得了瑜伽爱好者的普遍称赞 。

智能瑜伽垫

智能瑜伽垫缓解人体运动压力

当下阶段，FIAM因子赋能技术已然延伸至柔性显式范畴，OLED柔性显示模组抗冲击性能薄弱向来是限制柔性显示器件广泛应用的一个关键问题处在改善显示组件抗冲击性能方面面临着前所未有的挑战，要提升抗冲击性能，还要确保材料的高透光度，FIAM因子注入到显示模组的各层材料当中能依据应用需求和力学场景，满足不同的光学和防护等性能需求，会大幅提升显示组件抗冲击性能，具备光明的应用前景。

在近年来，从仿若“水上漂”般的“淀粉糊”，到具备“液体盔甲”特性的柔性防弹衣，剪切增稠材料始终是国内外研究涵盖的前沿热点范畴之一，在国内外历经长时间的深入研究，收获了数量众多的经验以及成果。并且在工程化这一方面，我国当前已然拥有 powderform、solid-and-liquid 等多种形态的 FIAM 因子，这一因子针对差别各异的应用场景，被应用于包含防弹衣在内的灌封胶那儿了、还应用于动力电池该领域、也应用于柔性显示模组这个范畴、甚至还应用于运动健康等诸多广泛的领域之中。