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FIAM柔性智能抗冲击材料在个体防护领域的研究及应用取得进展

作者:郭雅悰 2021-12-27 19:56 来源:
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  单兵防弹装备是保障士兵生命安全的重要屏障,抵御子弹侵彻,防止人体出现贯穿伤是对其性能评价的基本要求。而随着战场环境的复杂度提高,新一代的高性能单兵防护装备不但要保障士兵的生存能力,而且要在最大程度上保障作战能力。传统的EVAEPSEPP等材料体系防弹衣虽然能够阻挡子弹穿透,但是撞击瞬时产生的冲击波仍通过各层介质传递到人体,致使人体出现防弹衣后钝性伤(BABT),即肋骨骨折、脏器损伤、受冲击区域肌肉淤青等,在很大程度上影响士兵的后续作战能力。因此,亟待开发一种抗冲击性能更为优异的新型柔性缓冲材料,在保证抵御子弹侵彻的基础上,防止作战人员出现BABT,大幅延长作战人员战斗能力。 

  针对上述问题,中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室魏延鹏研究团队,开发出一种针对冲击载荷具有自主调控能力的FIAMFlexible Intelligent Anti-Impact Material)柔性智能抗冲击材料,并实现了基于力学环境的材料定向优化设计方法和工艺方案。FIAM材料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,冲击载荷能够迫使其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。 

  研究团队将FIAM材料创新性的用作防弹衣缓冲层,对心脏部位等关键部位进行增强防护,并与超高分子量聚乙烯防弹层结合形成了一种柔性复合防弹衣。基于弹道冲击实验和数值模拟,研究了弹道冲击下复合防弹衣的防护性能和动力学行为,系统分析了复合防弹衣的变形模式、能量传递和耗散行为,并从电子、原子、分子和宏观尺度阐述了FIAM材料的防护效应和冲击硬化机制。结果表明,FIAM能够在弹道冲击下迅速硬化,从而产生强烈的“Jamming”效应,以抵抗冲击变形并吸收冲击能量。与传统EVA缓冲材料相比,FIAM材料能够快速形成大面积耗散区,在吸收更多冲击能量的同时,大幅降低防弹衣对人体的冲击强度。实验结果表明,采用FIAM复合材料可将峰值冲击压力降低45%,防弹衣凹陷深度降低47%。相关成果以“Protective performance and dynamic behavior of composite body armor with shear stiffening gel as buffer material under ballistic impact” 为题发表在Composites Science and Technology期刊。该研究得到了国家自然科学基金(资助号1190232912072356)项目的支持。 

  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-EVAFIAM-PUFIAM-SR等复合材料,以其优异的柔韧性、可塑性、热稳定性、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,现阶段已通过知识产权授权形式与北京中科力信科技有限公司合作进入产业化应用推广阶段。 

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.109190  

   

   

   

   

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