编者按：中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室的魏延鹏研究团队，近期开发出一种针对冲击载荷具有自主调控能的柔性智能抗冲击材料，还发展了相应的定向优化设计方法和工艺方案，可以根据不同载荷需求针对性地开发相应的材料，以达到最有效的冲击防护效力。这项工作得到了国家自然科学基金等支持，相关成果“Effect of shear thickening gel on microstructure and impact resistance of ethylene–vinyl acetate foam”发表在Composite Structures上。本刊发布涂欢撰写的科普文章来介绍这个研究成果，以飨读者。

一种新型的柔性智能人体防护装备材料问世

涂欢

防护装备是保障人体生命安全的重要屏障。例如，人们熟知的防弹衣就是一类重要的防护装备，又叫单兵护体装具，用于防护弹头或弹片对人体的伤害。在弹头或弹片这类伤害情景中，载荷是在很短的时间内、以很大的速度作用在物体上的，人们称之为“冲击载荷”。此外，实际中常见的是静载荷，此时物体所承受的外力不随时间变化而且物体上各点的状态也不随时间改变。冲击载荷一般是静载荷的数倍甚至数百倍，取决于冲击持续时间、冲击频率、冲击幅度等等特性。如何防护冲击载荷，是一件蛮复杂的事情，特别是用于人体上。防护在冲击载荷下人体安全的防弹衣一般由防弹层和缓冲层两部分组成，其中的防弹层要能够吸收或者分散弹头或弹片的动能，起到阻止子弹贯穿的作用，而缓冲层用于减低人体受到的非贯穿伤害。这样，防弹衣便可减轻冲击载荷对人体的伤害（特别是胸部和腹部）。

防弹衣的材料需要具备一些特殊的性质（即抗冲击性），以此来保证有效的防弹效果。其中，最重要的是材料的硬度和强度。这里，“硬度”是指材料能够承受的压缩和切割的能力；“强度”是指材料能承受的拉伸或者弯曲的能力。这两个特性合理的结合，防弹衣便能够在受到子弹等物理打击时起到至关重要的保护作用。目前，防弹衣常见的材料有：金属材料（钢板，钛合金，高强度铝合金）、硬质非金属材料（陶瓷等）和热塑性复合材料。显然，钢板等金属材料的硬度非常高，能够承受较高的压力、切割和穿透力，是一种非常高效的材料。然而，由于它们的体积过大、质量过重，从而不适合作为一件常规防弹衣的主要材料。为了降低重量并保持强度和硬度，热塑性复合材料成为防弹衣的主要材料。这里的“热塑性”是指材料在加热时能发生流动变形而冷却后可以保持一定形状的性质。最常见的热塑性复合材料是聚乙烯、聚丙烯和甲基丙烯酸甲酯等。这些材料具有很高的硬度和拉伸强度，并具有减震和抗穿透能力，可以很好地防御弹头等物理打击。热塑性复合材料还可以添加其他功能材料（例如碳纤维、陶瓷、玻璃钢等），这样就能够抵御更高能量的物理打击。当然，添加材料可能增加防弹衣的重量和厚度，但是它们提供的更高的防护效果很值得这些牺牲。20世纪70年代，美国杜邦公司合成出一种新的芳纶软性纤维（商品名为凯夫拉），它的强度可达同体积钢丝的5倍以上，但重量只有1/5，是一种非常理想的防弹衣材料。但是，凯夫拉在遇到水或紫外线照射时容易降阶，保质期通常只有3-5年，而且储存保养比较困难。

近年来战争模式发生了变化，面对新世纪的新挑战，单兵防护日益受到各军事强国的重视。传统的防护材料体系已经无法有效应对日益复杂的冲击环境，为了提高人体在更加严酷环境下的生存能力，迫切要求发展新型防护材料。乙烯-醋酸钙乙烯酯EVA、聚苯乙烯泡沫EPS和聚丙烯酰亚胺泡沫EPP等塑料材料因轻质量、高回弹的特性被广泛用作防护装备的缓冲部件中，因为冲击瞬间造成的防弹层局部变形效应仍会对人体造成钝性伤害（BABT）。这里提到的“钝性伤害”是指非刀、剑等尖锐器物造成的人体深部组织和器官的破裂和损伤，损伤模式包括肌肉淤青、肋骨断裂、肠管破裂、血管断裂等，严重威胁着人员的存活率与后续活动能力。钝性伤害的损伤程度由主要变形处的凹陷深度所决定，所以减小防弹层变形处的凹陷深度是设计新型材料的重要指标。为此，中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室的魏延鹏研究团队，开发出一种针对冲击载荷具有自主调控能的柔性智能抗冲击材料FIAM（Flexible Intelligent Anti-Impact Material）。它是一种力学性能随冲击载荷变化而改变的轻质高分子聚合物，在自然状态下呈现出柔软的凝胶态，受到冲击载荷时则能够迅速硬化以抵抗冲击变形并吸收冲击能量，而在冲击载荷消失后又能恢复至最初的凝胶态，如此便实现了基于力学环境的自主调控。同时研究团队还发展了相应的定向优化设计方法和工艺方案，可以根据不同载荷需求针对性地开发相应的材料，以达到最有效的冲击防护效力。

    在此基础上，研究团队通过将FIAM材料与EVA低密度泡沫基料在密炼机中进行混合，随后将混合好的原料注入开炼机中混炼，最后利用硫化发泡技术进行发泡成型，从而获得了一款FIAM-EVA柔性智能抗冲击缓冲材料（参见图1）。如图1（a）所示，原始的EVA基材在介观尺度上是一个多胞结构，其中的孔隙面积在0.005~0.03 mm2的范围内。在新型制备的材料中， FLAM因子以不同方式复合到骨架上，如图1（b）所示，有的以颗粒状态附着在EVA的表面上，有的是填充EVA的孔隙里，有的和EVA骨架结合在一起，有的以薄膜状态附着在EVA骨架上。图2所给出的FIAM-EVA材料微观形貌的空间表征是通过扫描电镜（SEM）得到的，表明了FIAM材料主要以孔隙填充、骨架包裹、薄膜覆盖、颗粒附着等形式与基体框架进行偶联，揭示了FIAM-EVA是一种由多相物质在微观尺度上高度交联的复杂体系。这种材料具有应变率强化效应，可以在高速冲击作用下由凝胶态转变为固体态，产生更强的刚度，同时通过相变有效吸收冲击能量，能够兼顾防防护装备对保护性与机动性的双重需求。

（a）EVA基料骨架

（b）FIAM与EVA复合结构

图1 FIAM与EVA泡沫材料复合结构微观形貌示意（图片来源：自制）

    研究团队还采用多种动态测试手段（其中包括动态力学分析测试，单轴压缩测试以及霍普金森杆测试），对FIAM-EVA的动态力学性能进行测试、表征，发现了FIAM材料对基材的动态压缩强度（即动态加载作用下的极限强度）具有显著增益效果，且增益幅度随加载速率的增加而提升（参见图2）。与此同时，研究团队又通过将FIAM-EVA制成缓冲衬垫并与超高分子量聚乙烯防弹层形成新型柔性防弹衣，再使用高速发射系统对装备整体防护性能进行了测试。图3给出了FIAM-EVA（参见图3a）与EVA（参见图3b）缓冲层背部峰值压力（Pressure）的分布，结果表明FIAM-EVA缓冲衬垫背部的压力大大降低。实际测量结果还给出了，在抵挡相同的子弹冲击作用时，FIAM-EVA缓冲衬垫的背部凹陷深度仅为传统材料的49%，因此新型材料可以有效地减轻人体所受到的钝性伤害。

图2 不同应变率压缩作用下FIAM-EVA与EVA的应力-应变曲线（图片来源：自制）

图3 弹道冲击作用下FIAM-EVA（a）与EVA（b）缓冲层背部峰值压力分布图（图片来源：自制）

    是什么机制使得FIAM-EVA材料能具备这么优异的性能呢？材料优异的吸能耗能特性得益于多相物质间的协同变形作用。具体而言，FIAM材料与EVA基材以多种模式相互偶联，形成胞壁更厚的多孔结构，两者共同承受外载，结构强度获得提升；同时胞元间通过FIAM形成连接，产生更有效的荷载传输途径，从而提高了整体变形能力以及能力耗散效应。这便是所谓的“协同变形作用”，它使得FIAM-EVA材料（相较于传统EVA缓冲泡沫）能够有效降低人体表面的凹陷深度与接触压力（即背部峰值压力），减轻弹着点处的钝性损伤，为穿着者的生命安全提供更强力保障。研究工作为FIAM体系在人体防护装备中的应用提供理论基础和技术支撑。

基于FIAM材料独特的力学特性，研究团队围绕典型冲击防护应用场景，相继开发出FIAM与环氧树脂（FIAM-EP）、聚氨酯泡沫（FIAM-PU）和硅橡胶（FIAM-SR）共混形成的复合材料体系。三类材料FIAM-EP,FIAM-PU以及FIAM-SR分别具有抑振，缓冲以及高回弹的特点，它们均具有优异的柔韧性、可塑性、热稳定性和抗冲击性能，在高端电子器件防护、装备防护、个体防护领域（如运动防护等）具有非常好的应用前景。研究团队现已通过知识产权授权形式与相关高技术企业合作进入产业化应用推广阶段。