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美国科学家研制新型超材料防弹衣
2022-04-13 11:20:57 作者 : 七弦 来源 : 新浪网警用装备网讯： 近期，来自美国约翰·霍普金斯大学的机械工程师们开发了一种用新的超材料制作防护装甲的方法——利用一种依赖于复杂液晶结构的轻质弹性材料来制造防弹衣。根据该研究团队的介绍，由此生产的防护装甲“更轻、更坚固且可以重复使用”。
这可能是美国军用防弹衣领域的游戏规则改变者，它不仅将大幅提升美国军用防护装甲的防御值，同时还能在某种程度上解决长期困扰美国军方的缺乏女款防弹衣的困境。
美国女兵防弹衣的困境
美国女兵的防弹衣一直是一个问题，谈到美国大兵，大家想到的应该都是五大三粗的大汉，本来确实是这样的，所以美国军队的装备都是以男性为中心设计的，防弹衣（包括其他各种防护装备）也是如此。
在以前，这不是一个严重的问题，但随着美国女兵数量的逐年增加，这个问题越来越显着，专门为男兵设计的防弹衣对于女兵来说，不仅是尺寸不符合——包括胸部、手臂连接处、腰部——等多个部位的设计对于女兵而言都很不友好。
除此之外，这些防弹衣的重量大多数还不够轻，有不少美国媒体已经报道过美国女兵对这些防弹衣的抱怨，有些美国女兵甚至认为这些过于笨重的防护装备直接影响到了她们使用枪械进行射击的能力。
为此，美国军队装备管理部门也是煞费苦心，想了很多办法来解决这个问题，比如说为女兵单独设计一系列的防弹服，并根据女兵的身型存在的差别采用不同的尺寸设计，以此来解决女兵防弹衣不合理这一问题。
如今这种新材料的出现，似乎在某种程度上能够解决这一问题，毕竟这种材料比传统的凯夫拉装甲纤维材料质地更轻，但是强度更大，而且具备出色的弹性——用美国研究团队的话来说就是：这种材料像金属一样坚固，但像泡沫一样轻——用来制造防弹衣的话，能够更好地处理不同身材之间的差异，从而打造出通用性更好的防弹衣，并且能减轻负重过大对于美国女兵的困扰。
至少美国女兵不需要再担心由于身材的差异而导致防弹衣太紧或者过于宽松影响到装备操作了。
这种液晶弹性体新材料的优越性
关于新材料的研究是通过一篇论文展示出来的，这篇论文发表在今年2月份的《先进材料》杂志上。论文的作者Sung Hoon kang 是一名资深的极限材料专家，他的工作单位就是在美国材料界声名赫赫的霍普金斯极限材料研究所，该研究所成立于2012年，旨在研究“在极端条件下与材料和结构相关的科学机理，研究材料的极限性能”。
该研究所涉及的项目主要由美国能源部和国家科学基金会等组织资助，目前该研究所的很多研究都涉及到各种材料在地幔环境下的极限特性。
地球的地幔显然是相当极端的条件——那里有着地球上最高的温度和压力。防弹衣是特殊材料的另一种应用领域，虽然和地幔的严酷条件没法比，但同样是很极限的环境：比如说，防弹衣需要吸收子弹的冲击力，以一种不伤害穿戴者的方式散发子弹的能力，这也是一种很特别的极限技能。
研究人员发现这种新材料具备极其强大的能量吸收能力，一开始被工程师们考虑应用到头盔和汽车的保险杠中，后来才被霍普金斯极限材料研究所的成员们研究在防弹衣领域的应用可能性。
他们之所以由这种材料联想到防弹衣主要是因为这种材料具备出色的变形性能，变形是一种抵抗强大冲击力的主要形式。汽车一般都会设计“碰撞缓冲区”，在汽车发生高速碰撞的时候，这部分区域就通过自身的变形来吸收冲撞产生的能量，从而尽可能保护车内人员的安全，当然，事故发生之后，这一部分是不可能自行恢复或者说重复使用的，必须要换新了。
现在的许多头盔都是通过非弹性变形机制消耗冲击能量的，比如说塑性变形、断裂和破碎变形。因而，这些材料在一次性使用之后可能会永久损坏，不适合重复使用。
研究人员由此受到了启发——既然非弹性材料是不可重复使用的，那么是否可以用弹性材料做出能够重复使用的防护装备呢？
于是研究人员将目光转向了超材料，超材料是一种在微观尺度上精心设计的材料，它具备那些简单的胶合板或者常见合成金属所不具备的特性，所以，研究人员的目标是从原子量级开始构建更好的超材料。
这种材料的关键是“弹性屈曲失稳”，你可以把它当成一种原子级别的反弹——先想象一下一个大弹簧，它在压力下弯曲，然后又回到了原来的形状——这里的屈曲的概念不是那种变形会永久性改变材料的意思，它指的是这种材料可以储存来自冲击的能量，并在之后将其释放，从而使材料“弹回”到它的原来的形态。
研究人员认为这种结构的能量吸收机制是可伸缩和可逆的，这使得这种材料可以重复使用，对于防弹衣而言，这一点更有积极意义，比如说在战场上，防弹衣受损是很常见的事情，如果说受损了就变形失效了，那么防弹衣的作用就会变得很有限，如果说受损了之后很快就能恢复使用能力，那么对于提升士兵的战场生存能力而言，是非常具有实用意义的。
在试验中，研究小组制造了一种叫做液晶弹性材料的超材料，这些材料以一种更理想的方式缓和（扩散）冲击和化解能量，这种方式符合防弹衣设计所需要的微观结构。
在测试的时候，研究人员确认这种材料能够很好地承受重量在4磅到15磅之间、时速高达22英里的物体的反复撞击。
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