欺硬怕软的流体——"液体防弹衣"里面到底有什么？

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在有关枪战的场所中，防弹衣是必不可少的防护装备。防弹衣到底靠什么进行防护呢？"液体防弹衣"真的能用于防弹？如果能，那其工作原理又是怎样的？下面围绕这些展开，并着重介绍当前最先进的、未来有可能取代当前所有固体防弹衣的"液体防弹衣"。

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关于防弹衣的介绍

防弹衣主要由衣套和防弹层两部分组成。衣套常用化纤织品制作，防弹层则会根据具体应用采用不同的材料，主要包括金属、陶瓷片、玻璃钢、尼龙、凯芙、液体防护材料等材料，构成单一或复合型防护结构。

众所周知，传统的防弹衣（也称防弹背心）只能护住躯干部分，另外，其厚重且坚硬的特点决定了不便用来制造需要弯曲折叠的裤子和袖子，致使需要经常活动和弯曲的许多关键部位根本无法得到保护，如手臂、颈部、腿部和肘部。

而利用液体防弹材料处理升级的新型防弹衣可以做到全身防护，其柔软坚韧，可以制造连袖子带裤腿的全套衣服，保护军警的任何部位，无论人的身体如何弯曲防弹衣的防护性能都不会受损。因此，液体防弹衣的研制成功被认为是一种防弹领域内革命性的技术突破，也被称为真正的防弹衣。

图摘自网络

国际上，液体防弹衣最先由英国和美国两国研制成功并已计划装备部队，之后波兰和韩国也宣布研制成功，我国在液体防弹装备方面也取得了一些关键的进展。

什么是液体防弹衣

"液体防弹衣”这个词可能会误导一些人，让人以为是将流动的液体填充在固体纤维层间，然而并非如此。其实液体防弹衣是针对传统凯夫拉等高强度纤维防弹衣，利用特殊液体材料（统称为“剪切增稠液体”）增强的产品，外观和传统软质防弹衣并没有什么差异。如果真要去找一件液态的防弹衣或者是做成水囊结构的防弹衣，那肯定会找不到的。

实际上，目前的液体防弹衣衣芯是通过一系列技术手段将液体材料渗入至多层凯夫拉纤维中间，并由纤维固定住剪切增稠液体粒子制作而成。当敲击凯夫拉纤维时，液体会立刻变硬，让凯夫拉纤维更牢固，其变硬速度一般为几毫秒，而在非防护状态下防弹衣又会变得很柔软。据测试，与普通防弹材料相比，在相同坚韧度下，液体防弹材料重量更轻（普通防弹材料重量的一半以下）更柔软。

现阶段正在研发的液体防弹材料主要包括两种液体：剪切增稠液体和磁流变液体，本文只针对剪切增稠液体。

液体防弹材料工作原理

在说明前述“剪切增稠液体”的工作原理之前，有必要介绍一下非牛顿流体的特性。

牛顿流体和非牛顿流体：

粘性流体一维平行剪切流模型（H：剪切厚度，U：平板移动速度）

以有粘流体的一维平行层状剪切流动为例，通常把粘性流体剪切应力τ 与速度梯度k (=du/dy, 也称剪切应变率）呈线性关系的流体称为牛顿流体，即满足

该式也称为牛顿粘性定律，其中流体动力粘度μ0为常数，速度梯度k 也等于U/H。常见的牛顿流体有空气、水、水蒸气、各种气体和润滑油等。

而把有粘性但不服从牛顿粘性定律的流体称为非牛顿流体，即

其中，μ(k) 称作表观粘度，是速度梯度k 的函数，因而非牛顿流体的剪切应力τ 与速度梯度k 呈非线性关系。常见的非牛顿流体有牛奶、蜂蜜、油脂、油漆、高分子聚合物溶液、水泥浆和动物血液等。

非牛顿流体特性：

通过非牛顿流体剪切应力τ 与速度梯度k 的非线性关系可知，对于不同的速度变化梯度，非牛顿粘性流体的表观粘度也会不同，因而会引起剪切应力τ 的不同。通俗理解是，作用在非牛顿流体上的剪切速度梯度会反过来改变流体对外界的粘性作用。

为了更直观说明非牛顿流体特性，针对同一种液体防弹材料（即剪切增稠液体）进行对比实验。透明槽里的白色胶状液体就是所选的液体防弹材料，即非牛顿流体，用手指搅动的时候，由于速度慢、力量小，剪切应变率（即速度梯度）k 很低，因此其性质和普通的粘稠液体差不多。

图摘自网络

而在用拳头猛砸的时候，由于速度高、力量大，带来的冲击极其猛烈，流体剪切应变率k 会非常大，此时流体动力粘度μ(k) 会在瞬间急剧加大，形成硬实的类固体状态。冲击越猛烈，这种特征越显著。

图摘自网络

液体防弹衣特性：

因此，液体防弹衣芯纤维内部的液体粒子在正常状态下呈现为液体，在子弹或其它坚硬物体高速冲击下，瞬间由液相转变为固相，呈现出固体的抗冲击性能，冲击力消除之后，又迅速从固相转变为液相。因此，工作状态下可实现防弹、防刺、减震等作用，非工作状态下又变得很柔软。

液体防护前景

目前，液体防弹材料在防弹装备上的应用还有很多问题并没有得到很完善的解决。但是在更低级一些的防护场合，比如滑雪、摩托车手服装等运动防护器具，或者是抗冲击头盔等警察防暴装备上，该类产品已经得到了成功的商业化应用。

“谁掌握了新材料，谁就掌握了未来”！无数事实表明，历史上每一次重大新技术的发现和某种新产品的研制成功，都往往依赖于新材料的发现和应用，可以说世界高新技术的竞争就是新材料的竞争，而任何一个新的装备系统，离开了新材料的支撑都将无法研制出来。

同样，液体防弹材料的研制成功将给防护领域带来质的飞越，届时液态防弹衣也将开创人体防弹防刺新纪元，对此我们将拭目以待！

来源：神奇的流体微信公众号（ID：gh_456b2c853854），作者：宫华胜。