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液体防弹衣有用吗(它真的能防弹吗?)

更新时间:2024-08-16 10:15:14

接下来,我们来看看这些液体是由什么构成的,以及它们为什么会有强烈的反应?

剪切增稠流体

“液体防弹衣”这个词可能有点误导人。 对于很多初次听到这个词的人来说,它让人联想到在两层固体材料之间的夹着一层可流动的液体。 然而,在新研发的液体防弹衣中根本就没有可见的液体层。 其实,它们使用的凯夫拉纤维是在这两种液体中浸泡处理过的。

第一种是剪切增稠流体(STF),当遇到机械应力或剪切时,它的行为类似于固体。换句话说,它像液体一样移动,直到物体有力地撞击或搅动它。然后,它在几毫秒内变硬。这与剪切稀化液(如油漆)正好相反,当遇到搅拌或摇晃时,剪切稀化液会变薄。

你可以通过观察由几乎等量的玉米淀粉和水混合成的溶液,来了解剪切增稠流体的样子。如果你慢慢搅拌,这种物质就会像液体一样运动。但如果你击中它,它的表面会突然凝固。你也可以把它捏成一个球,但是当你停止施加压力时,球就会散开。

我们来说说这种现象的工作原理。这种流体是一种胶体,由悬浮在液体中的微小颗粒组成。这些颗粒互相排斥,所以它们很容易在整个液体中漂浮,而不会结块或沉淀到底部。但是,突然的撞击产生的能量压倒了粒子之间的排斥力 —— 它们粘在一起,形成一个称为水力聚团的质量。当撞击产生的能量消散时,粒子又开始互相排斥。水力聚团解体,表面上固体物质又变回液体。

真正用于制作加工防弹衣的液体,是由悬浮在聚乙二醇中的二氧化硅颗粒制成的。二氧化硅是沙子和石英的组成部分,聚乙二醇是一种聚合物,通常用于泻药和润滑剂。二氧化硅颗粒的直径只有几纳米,因此,许多报道将这种液体描述为纳米技术的一种形式。

为了用剪切增稠流体制造液体防弹衣,研究人员首先会用乙醇稀释这种液体。他们用稀释后的液体浸泡、浸透凯夫拉纤维,然后再把它放在烤箱里蒸发乙醇。此时,STF会渗透到凯夫拉纤维中,凯夫拉纤维束将充满颗粒的液体固定在适当的位置。当物体撞击或刺穿凯夫拉纤维时,液体会立即变硬,使凯夫拉纤维变得更加坚固。硬化的过程发生在短短几毫秒内,随后,防弹衣将再次变得灵活、柔韧。

在实验室测试中,经过STF处理的凯夫拉纤维与普通的凯夫拉纤维一样柔韧。区别在于,它的强度更高,所以使用STF的装甲只需要更少的材料层。四层经过STF处理的凯夫拉纤维可以消耗与14层纯凯夫拉纤维相同的能量。此外,经过STF处理的纤维对冲击的拉伸程度不如普通纤维,这意味着子弹不会像普通纤维那样深入到护甲或人的组织中。研究人员推测,这是因为子弹拉伸STF处理过的纤维需要更多的能量。

美国陆军研究实验室和特拉华大学正在进行基于STF的液体防弹衣的研究。此外,麻省理工学院的研究人员也开发用于防弹衣的另一种不同的液体。接下来我们来看他们的研究。

磁流变液

可以加强凯夫拉装甲的另一种流体是磁流变(MR)流体。 MR流体是充满铁颗粒的油。 通常,表面活性剂围绕颗粒以保护它们并帮助它们悬浮在液体中。 一般来说,铁颗粒占流体体积的20%至40%。

这些微粒很小,尺寸在3到10微米之间。然而,它们对流体的稠度有着强大的影响。当暴露在磁场中时,粒子排列起来,使流体显著变稠。术语“磁流变”来自于这种效应。流变学是力学的一个分支,主要研究力和材料改变形状的方式之间的关系。磁力可以改变磁流变液的形状和粘度。

MR流体的硬化过程大约需要二万分之一秒。根据流体的组成和磁场的大小、形状和强度,这种效应可能会有很大的不同。例如,麻省理工学院的研究人员首先研究的是球形铁颗粒,即使在磁场存在的情况下,它们也可以相互滑动。这限制了装甲的硬度,因此研究人员正在研究其他可能更有效的粒子形状。

与STF一样,你也可以使用普通物品查看MR流体的外观。 与油混合的铁屑提供了良好的代表性。 当不存在磁场时,流体容易移动。 但是,磁铁的影响可能会导致流体变厚或形成不同于其容器的形状。 有时,差异在视觉上是非常引人注目,流体形成独特的峰、谷和其他形状。 艺术家甚至会使用磁铁和MR流体或者类似的铁磁流体来创作艺术品。

通过密度、粒子形状和场强的正确组合,磁流变液可以从液体变为非常厚的固体。与剪切增稠流体一样,这种变化可以极大地提高装甲的强度。诀窍是激活流体的状态变化。在实际运用中,要想激活一整套防弹衣,所需使用的磁铁已经大到无法接受,研究人员建议创造一个微小的电路在整套防弹衣中运行。

如果没有电流通过电线,防弹衣将保持柔软和灵活。但是在开关翻转的时候,电子就会开始在电路中移动,在这个过程中产生磁场。这个能量场会使MR流体立刻变硬。将开关翻转回关闭位置将停止电流,防弹衣将再次变得灵活。

除了制造更坚固、更轻、更柔韧的防弹衣外,用剪切增稠和磁流变液处理的织物也可以具有其他用途。 例如,这种材料可以制造易于折叠和携带的防爆毯,可以保护人们免受爆炸和弹片的伤害。 经过处理的跳伞靴在撞击或着陆时会变硬,保护伞兵的双脚。 警察的制服可以广泛使用液体装甲技术,特别是因为他们最容易遇到的是钝器和刀片的袭击。