神奇的非牛顿流体材料——从淀粉糊到防弹衣
武侠影片中时常展现「水上漂」的场面，掌握这门技艺者能在水面疾行，仿佛走在实地一般。然而在现实生活中，于水面行走的情形十分罕见。究竟有哪些途径能够达成「水上漂」的境界呢？
人在非牛顿流体上奔跑
图中展示的是一个人正处在充满淀粉溶液的容器里行走的瞬间画面，这种溶液由淀粉和水混合而成。人在液体表面站立时会感受到如同陷入泥沼般的下陷感；然而，一旦开始快速移动脚步，接触点会立刻转变为类似固态的质地开元ky888棋牌官网版，足以承受身体压力；随着脚的挪动，该处又会恢复为流动状态，这种不断变化的特性使得行走其上如同在水面行走一般自如。
这里说的淀粉糊就是一类比较典型的非牛顿流体。
那么什么是非牛顿流体，它为何有如此神奇的能力？流体大致分为两种，一种是牛顿流体，另一种就是非牛顿流体，所有物质都属于这两类之中，像水或者空气这类就是典型的牛顿流体，它们的一个显著特征是粘稠度恒定不变，从专业角度讲，它们的剪应力与剪切应变率成正比关系；而牛奶、沥青以及淀粉混合物等物质则属于非牛顿流体，这类流体的一个明显特征是剪应力与剪切应变率不成正比，也就是说粘稠度会随着状态变化。
典型的牛顿流体和非牛顿流体
但并不是所有的非牛顿流体都能实现「水上漂」。这类特殊物质在非牛顿流体中独树一帜，面对压力时会增强自身，承受外力时会展现出超乎寻常的坚韧，甚至能硬化如同固体；一旦外力减弱或轻微接触，它们又会恢复流动特性，国际上把这类物质称作「剪切增稠液体」，英文名为 STF（shear thickening fluid），而淀粉糊就是这类剪切增稠液体的典型实例。
借助剪切增稠材料的特性，能够制造出一种柔性防弹衣，这种充满未来感的「流体护甲」不仅具备传统硬壳防护衣的防弹功能，还摆脱了常规防护衣的生硬与笨重，日常穿着时柔软舒适，一旦遭遇弹头撞击，撞击点附近的区域会立刻产生硬化效果，当外力消失后，该部位又会恢复为液态状态。这种流体搭配防弹衣肯定不是淀粉糊，因为淀粉糊容易腐坏，性质易变，增稠效果不强，而且状态很不稳定。通常在专业领域，剪切增稠液体是用二氧化硅微粒混在聚合物溶液里形成的悬浊液2003年，美国特拉华大学的Wagner教授带领团队，首次尝试把STF置入芳纶Kevlar纤维织物内，由此成功研制出一种新型防弹材料，并制造出STF强化的防弹服，柔软防弹衣因此备受瞩目。国内，中国科学院力学研究所、中国科学技术大学、北京理工大学等机构在剪切增稠材料领域获得了众多进展。中国科学院力学研究所的科研人员于 2018 年在《智能材料与结构》这一国际刊物上撰文阐明，剪切增稠流体对于抗冲击及随后的减振展现出卓越的性能，发挥着物理隔离层的作用，能够对高速冲击环境中的电子设备提供有效的防护功能。细小二氧化硅微粒在遭遇外力时，会相互靠近聚集，出现明显聚集现象，这种聚集现象导致液体粘度快速增大，进而提升其抗冲击能力，这种现象本质上属于物理变化过程。但是，这种以颗粒构成的新型防弹衣有一个显著不足，就是存放一段时间后，内部的颗粒材料容易聚集变形开元棋官方正版下载，导致防护性能下降，所以一直没有得到广泛推广使用。
剪切增稠液体中「抱团取暖」的团簇效应
另有一种材料，在遭遇冲击力时会改变化学连接方式，这种材料称作「剪切硬化胶」。它同 STF 相比，不仅拥有出色的延展性和抗冲击能力，还具备比 STF 更好的耐热性能和可加工性（虽然流动性较差），使用起来更为便捷。在正常环境或轻微撞击时，这种材料会呈现松弛、柔软的粘稠状态，展现出极佳的柔顺性。外部作用力或其振动频率增强时，剪切硬化胶会经历从粘流状到高弹状，乃至玻璃态的转变过程，其整体表现是模量显著提升，因此能有效对抗冲击形变并耗散冲击力。一旦外力消除，这种胶体既能回归到原先的粘流状态，同时在破损分离后还能再度结合，展现出卓越的修复能力。
剪切硬化胶的流动性
剪切硬化胶不同冲击速度下粘流态-高弹态-玻璃态转变
剪切硬化胶普遍使用的配方以聚硼硅氧烷这类聚合物材料为基础，这种材料类似于日常所见的手工橡皮泥，依靠微观结构特点实现特殊功能，具体表现为硼原子与氧原子形成的硼氧键断裂时具有明显的迟滞现象，使得材料在静止状态下极为柔软，但在受到冲击作用时，硼氧键会展现出显著的支撑能力，并且随着冲击强度的增加，其抵抗外力的性能会随之提升。
剪切硬化胶的冲击硬化机理
英国工程师 Richard 在 1999 年研发出一种名为 D3O 的特殊材料，这种材料遵循着遇柔则柔、遇硬则硬的原理，属于剪切硬化胶体系的抗冲击材料，平时状态下非常柔软并且富有弹性，一旦遭遇快速的冲击或者挤压，其分子链会迅速相互锁定，材料随即变得坚硬，以此来抵消外来的力量。当外力减退之后，这种材料能够重新回到最初柔软的状态。D3O 的抗冲击能力非常强，同时也很灵活，因此它被大量应用于缓冲保护行业。用 D3O 制成的防护装备比常规装备更轻，并且能与身体接触部位更加吻合，这种材料能够同时实现无拘无束的活动和撞击防护。不过，低温条件下，D3O材质会变得很硬，它的舒适度和抗冲击能力会显著变差，进而对人的保护效果造成很大影响。
剪切硬化胶材料的应用方向
另外，一种依靠微小构造的单一分散中空微球也表现出很强的抗冲击能力。它的核心机制在于使冲击体和受保护对象之间产生中空间隔，能够显著削弱冲击能量的传播。这种材料通常通过滤液组合技术等工艺来制造均一的纳米级或微米级功能聚合物微球，制成的聚合物微粒大小介于几百纳米至数微米范围，微球外壳上可以接枝各种不同的化学基团。
这类材料具备剪切增稠特性或冲击硬化特性，种类繁多，包括颗粒悬浮体系，聚合物体系，以及微球构造体系。这些材料实现剪切增稠或冲击硬化的机理，有的源于颗粒尺度，有的来自分子尺度，有的涉及原子尺度，还有的则基于微结构特征。这些材料有一个共性，就是通常不能单独作为工程材料使用，必须与其他材料结合，才能充分展现其抗冲击性能。换句话说，这类材料工程应用的最大难点在于，如何有效提取其中的抗冲击成分，并将其与现有工程材料融合，从而创造出全新的抗冲击工程材料。
中国科学院力学研究所团队首创柔性智能抗冲击材料因子这一概念，英文名称为 FIAM（Flexible Intelligent Anti-impact Material），简称 FIAM 因子，它指的是一类在介观-微观尺度上具有应变率强化特性的功能单元，这类单元能够通过微结构、分子以及原子等不同维度与传统工程材料相融合，在维持材料原始特性的基础上，增强对外部冲击力的智能应对能力。
这项工艺可以称作基于 FIAM 因子引导优化的技术，其核心步骤首先是从多种具备抗冲击智能特性的增强材料中筛选出关键元素作为候选因子开元ky888棋牌官方版，然后针对不同的冲击环境（包括子弹撞击、人体坠落、设备跌落等，这些冲击状况差异显著）进行逆向规划，挑选出满足标准的因子添加到常规材料之中，最终制造出既稳固又耐冲击的新型防护材料。
FIAM 因子类型多样，依据物理形态差异，可区分为液态、凝胶态和固体态三种；根据化学物理属性不同，FIAM 因子又可划分为水基型和油基型；按照光线穿透能力差异，FIAM 因子可分为高透光类型、半透光类型，同时按照实际应用领域，还可细分为光学用途因子、橡胶用途因子以及泡沫用途因子等。
FIAM 因子分类
中国科学院力学研究所的研究集体于 2021 年，在国际范围内首次证实了剪切增稠的胶体物质，对于减弱防弹衣抵御弹击时产生的钝性创伤具有显著作用。经过两年多的研究，终于从剪切增稠凝胶体里分离出 FIAM-S03 抗冲击性能因子，并且把它加到 EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）材料里面，制造出特殊的抗冲击单元构造，不过从整体上看，完全没有影响到 EVA 材料原有的物理特性。借助该材料，并配合「刚柔相济」的层叠复合构造，能够显著减轻子弹撞击对心脏等人体内脏造成的内伤，完成了柔性智能减震防护领域的突破性进展。
FIAM 赋能新型柔性防弹衣
FIAM 因子赋能机理
FIAM 在军事应用中用途广泛，既可用于防护装备的开发，也能增强军用电子元件的抗震能力，科研团队研制出 FIAM-G06 智能缓冲因子，对 EP（环氧树脂）实施功能化改造，借助国家重点项目资助，研制出具备卓越减震效果的 IMECAM 智能柔性电子封装材料，该技术已通过专业机构的严格测试和权威认证。实验数据证实，IMECAM 高性能柔性电子封装材料在抗冲击和抗振动方面表现突出，其最佳状态下可让电子元件的冲击信号与噪声的比值提高二十倍之多。这种材料已经成功用于多种导弹、火箭等核心电子设备的保护构造中，达成了关键性技术突破的商品化进程。
灌封过后的 18650 锂电池组
FIAM因子还能应用在民用方面，可以助力动力电池、健身器材以及柔性屏幕等产业。最近的测试数据表明，通过FIAM因子注入方法制备的封装材料，有助于增强电动汽车车架的耐冲击能力，进而减少车辆相撞时电池的损坏风险，从而提高车辆的整体安全性能。
灌封过后的 18650 锂电池组
IMECAM智能柔性电子灌封胶抗冲击减振
针对运动健身行业，适用于低冲击场地的 FIAM-S04 因子，添加到传统的 TPE（热塑性弹性体）材料之中，开发出一种融合了舒适感、柔软度、弹性以及静音效果的新型瑜伽垫产品。实验数据证实，这款瑜伽用具可以大幅度减轻大幅度动作时对膝盖和肘部造成的负担，进而有效防止人体关节出现劳损现象。这一产品已经连续两年出现在亚洲规模最大的户外活动——ISPO 运动装备与潮流展上，并且获得了瑜伽练习者的普遍赞扬。
智能瑜伽垫
智能瑜伽垫缓解人体运动压力
目前，FIAM 因子驱动技术已经拓展至柔性显示范畴。OLED 柔性显示单元抗冲击能力不足，长久以来是限制柔性显示产品普及的一个核心瓶颈，在提升显示部件抗冲击能力方面，正面临史无前例的难题，既要增强抗冲击性能，又必须维持材料的高透光特性。FIAM 成分渗入到显示屏构造的多重介质里，可以依据实际用途和物理条件，达成各异的光学及防护等功能指标，显著增强显示装置抵御外力的能力，展现了广阔的发展潜力。
从用淀粉糊实现的漂浮技巧，到以液体盔甲形态出现的柔软防弹服，剪切增稠材料持续成为全球科技探索的重点方向，相关领域经过长久钻研，积累了丰硕的实践知识和技术突破。在工业化层面，国内已经具备粉末状、固体形态以及液体形态的各类 FIAM 基材，针对不同用途实施在诸如防护服用封装材料、动力电芯、可弯曲显示屏组件、健身监测等众多用途上。
