18新利最新登入液体防弹衣是如何工作的

古代防弹衣与现代防弹衣有很多共同之处。两者都能抵御武器攻击,但都很笨重且不灵活。"width=
古代防弹衣与现代防弹衣有很多共同之处。两者都能抵御武器攻击,但都很笨重且不灵活。

背后的基本思想防弹衣在过去几千年里没有太大变化。首先,盔甲可以阻止武器或弹丸击中人体。其次,它可以分散武器的能量,这样最终的冲击造成的伤害就会更小。虽然盔甲并不是在所有情况下都有效,但它通常可以帮助人们免受严重伤害或死亡,尤其是在面对正确的武器时。

多年来,人们不得不研制出更坚固、更先进的盔甲来抵御日益复杂的武器。18新利最新登入然而,尽管有了这些改进,现代防弹衣仍然有一些与古代防弹衣相同的缺点。无论是由金属板还是多层织物制成,装甲通常都很笨重。许多类型是刚性的,所以在手臂、腿和脖子上使用是不切实际的。出于这个原因,中世纪的板甲有缝隙和关节,可以让人四处活动,而今天使用的防弹衣通常只保护头部和躯干。

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然而,一种最新的防弹衣既灵活又轻便。奇怪的是,这种改进来自于在现有装甲材料中添加液体。虽然它还没有完全准备好投入战斗,但实验室研究表明,液体防弹衣有可能成为笨重背心的良好替代品或补充。最终,士兵、警察和其他人可能会用它来保护他们的胳膊和腿。

目前正在研发的两种主要液体防弹衣都是以杜邦凯夫拉尔通常用于防弹背心。当一颗子弹或一块弹片击中一件凯夫拉背心时,多层材料将冲击力扩散到一个大的表面区域。子弹还会拉伸凯夫拉纤维,消耗能量并在此过程中减速。这一概念类似于汽车安全气囊在碰撞中分散冲击力并减缓人体躯干运动的情况。

虽然凯夫拉纤维是一种织物,但凯夫拉盔甲不会像衣服那样移动或垂下来。阻挡子弹需要20到40层凯夫拉纤维,而这一层相对坚硬。它也很重——即使没有陶瓷衬垫的额外保护,一件背心的重量也超过10磅(4.5公斤)。

然而,两种不同的液体可以使凯夫拉装甲使用更少18新利最新登入的层数,使其更轻,更灵活。它们都有一个共同点——它们对刺激的反应都很强烈。接下来,我们将看看这些液体是由什么组成的,以及它们为什么会有这样的反应。

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剪切增稠液体

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用于液体防弹衣的剪切增稠液
图片由Lorie Jewell中士提供美国陆军

“液体防弹衣”这个词可能有点误导人。对一些人来说,它会让人想起流动的流体夹在两层固体材料之间的想法。18新利最新登入然而,这两种类型的液体装甲在开发中都没有可见的液体层。相反,他们使用在两种液体中浸泡过的凯夫拉纤维。

第一个是剪切增稠液(STF),当它遇到机械应力或时会表现得像固体一样剪切.换句话说,它像液体一样移动,直到有物体撞击或强烈地搅动它。然后,它会在几毫秒内变硬。这是a的对边剪切稀化流体就像油漆一样,搅拌或摇晃就会变薄。

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通过观察几乎等量的玉米淀粉和水的溶液,你可以看到剪切增稠液的样子。如果你慢慢搅拌,这种物质就会像液体一样流动。但如果你撞击它,它的表面会突然凝固。你也可以把它做成一个球,但当你停止施加压力时,球就会散开。

这个过程是这样18新利最新登入的。液体是胶体它由悬浮在液体中的微小颗粒组成。这些颗粒会轻微地相互排斥,所以它们很容易漂浮在液体中,而不会聚集在一起或沉淀到底部。但突然撞击的能量压倒了粒子之间的排斥力——它们粘在一起,形成称为.当撞击产生的能量消散后,粒子又开始相互排斥。水团分崩离析,表面上的固体物质变成了液体。

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冲击前,剪切增稠液中的颗粒处于平衡状态。撞击后,它们聚集在一起,形成坚固的结构。

用于防弹衣的液体是由悬浮在聚乙二醇.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,所以许多报告将这种流体描述为一种纳米技术

为了使用剪切增稠液制作液体防弹衣,研究人员首先将液体稀释在乙醇中。他们用稀释后的液体浸透凯夫拉纤维,并将其放入烤箱中蒸发乙醇。STF然后渗透到凯夫拉纤维中,凯夫拉纤维将颗粒填充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,液体会立即硬化,使凯夫拉纤维更坚固。硬化过程仅发生在几毫秒内,之后盔甲就会再次变得灵活。

在实验室测试中,stf处理的凯夫拉和普通的凯夫拉一样柔韧。不同之处在于它更强,所以使用STF的装甲需要更少的材料层。四层经stf处理的凯夫拉纤维所消耗的能量与14层整齐的凯夫拉纤维相同。此外,经过stf处理的纤维在受到冲击时拉伸的距离不如普通纤维,这意味着子弹不会穿透盔甲或下面的人体组织那么深。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。

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子弹击中后用凯夫拉纤维处理过
图片由美国陆军摄影师洛里·朱厄尔中士

美国陆军研究实验室和特拉华大学正在对基于stf的液体防弹衣进行研究。另一方面,麻省理工学院的研究人员正在研究一种用于防弹衣的不同液体。接下来我们来看他们的研究。

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磁流变液

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当暴露在磁场中时,磁流变液中的粒子沿磁场线排列。

另一种可以加固凯夫拉装甲的液体是磁流变液.磁流变液里面都是粒子。通常,表面活性剂围绕在颗粒周围,以保护它们,并帮助它们悬浮在流体中。通常情况下,铁颗粒占液体体积的20%到40%。

这些颗粒很小,在3到10微米之间。18新利最新登入然而,它们对液体的稠度有很大的影响。当暴露在磁场中时,颗粒会排成一行,使液体急剧变厚。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。

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硬化过程大约需要千分之二秒。根据流体的组成以及磁场的大小、形状和强度的不同,这种影响可能会有很大的不同。例如,麻省理工学院的研究人员从球形铁颗粒开始,即使在磁场存在的情况下,这些铁颗粒也可以彼此滑过。这限制了装甲的坚硬程度,18新利最新登入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,你可以看到MR流体使用普通物品的样子。铁屑和油混合在一起形成了一种很好的表现。当没有磁场存在时,流体很容易移动。但磁铁的影响会使液体变厚或形成与容器不同的形状。有时,这种差异在视觉上非常引人注目,流体形成了独特的波峰、波谷和其他形状。艺术家们甚至使用磁铁、磁流变液或类似的铁磁流体来创作艺术品。

在密度、粒子形状和场强的正确组合下,磁流变液可以从液体变成非常厚的固体。与剪切增稠液一样,这一变化可以显著提高装甲的强度。诀窍在于激活液体的状态变化。由于大到足以影响整个盔甲的磁铁很重,携带起来也不实用,研究人员建议在盔甲中创建微型电路。

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磁场暴露前后的磁流变液

没有电流通过电线,盔甲将保持柔软和灵活。但在开关翻转时,电子将开始在电路中移动,在此过程中产生磁场。这个力场会让盔甲瞬间变硬。将开关拨回关闭位置将停止电流,装甲将再次变得灵活。

除了制造更坚固、更轻、更灵活的装甲外,经剪切增厚和磁流变液处理的织物还有其他用途。例如,这种材料可以制造易于折叠和携带的炸弹毯,并且仍然可以保护旁观者免受爆炸和弹片的伤害。治疗跳的靴子可以在撞击或激活时变硬,保护伞兵的靴子。监狱警卫的制服可以广泛使用液体装甲技术,特别是因为警卫最可能遇到的武器是钝器和自制刀片。

18新利最新登入然而,这些技术也有一些优点和缺点。以下是概述:

这两种装甲都不适合战场使用。经stf处理的凯夫拉装甲将在2007年年底上市[来源:《商业周刊》].MR液体可能还需要5到10年的发展才能持续地阻挡子弹。【来源:科学中心].查看下一页的链接,了解更多关于军事技术,防弹衣和相关主题。

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来源

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