漫話防彈衣（二）
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防彈衣用于防護彈頭或彈片對人體的傷害。前面介紹，防彈衣主要由衣套和防彈層兩部分組成。衣套常用化纖織品制作。防彈層是用金屬（特種鋼、鋁合金、鈦合金）、陶瓷片（剛玉、碳化硼、碳化硅、氧化鋁）、玻璃鋼、尼龍（PA）、凱夫拉（KEVLAR）、超高分子量聚乙烯纖維（DOYENTRONTEX Fiber），構成單一或復合型防護結構。防彈層可吸收彈頭或彈片的動能，對低速彈頭或彈片有明顯的防護效果，在控制一定的凹陷情況下可減輕對人體胸、腹部的傷害。從使用看，防彈衣可分警用型和軍用型兩種。從材料看，防彈衣可分為軟體、硬體和軟硬復合體三種。軟體防彈衣的材料主要以高性能紡織纖維的復合材料無緯布為主，這些高性能纖維遠高于一般材料的能量吸收能力，賦予防彈衣防彈功能，并且由于這種防彈衣一般采用紡織品的結構，因而又具有相當的柔軟性，稱為軟體防彈衣。硬體防彈衣則是以特種鋼板、超強鋁合金等金屬材料或者氧化鋁、碳化硅等硬質非金屬材料為主體防彈材料，由此制成的防彈衣一般不具備柔軟性，以插板形式為主。軟硬復合式防彈衣的柔軟性介于上述兩種類型之間，它以軟質材料為內襯，以硬質材料作為面板和增強材料，是一種復合型防彈衣。防彈衣包括步兵防彈衣、飛行人員防彈衣和炮兵防彈衣等。此外，還有液體防護材料等材料制作的防彈衣。
英國南安普敦大學的科學家們發明了一種用從液體水晶提煉的纖維制成的防彈背心。研究人員在實驗過程中發現，當對一層水晶施加電壓時，所有液體水晶呈同一方向排列，并形成一個長形分子鏈。用化學手段使水晶分子鏈結合，形成強拉力纖維，然后用天然樹脂將纖維定型，便制成超強力纖維。有關專家表示，這是世界上最先進的防彈背心。
液體防彈衣：重僅為傳統防彈衣一半
英國BAE系統公司研制一種神奇的新型液體防彈衣。這一具有革命性的發明采用一種名為“剪切增稠液”的液體，該液體在受到子彈沖擊時會變硬從而起到阻擋子彈的作用。新型液體防彈衣可以為士兵提供史無前例的有效保護，同時又能保證他們自由靈活地運動，不再受到笨重的傳統防彈衣的限制。
作為全球著名的防御、航空宇宙、安全公司，BAE系統公司所研制的新型液體防彈衣質量更輕、防御保護效果更好，彈性和靈活性都得到大大加強?！凹羟性龀硪骸边€可以噴涂于兩層凱夫拉爾之間，制成超強超薄防彈衣。本來，凱夫拉爾材料的強度就是鋼鐵的五倍，因此它也被認為是標準的防彈衣材料。這種新型超強超薄防彈衣比普通的防彈衣要薄得多，而重量只相當于普通的一半。
“剪切增稠液”中自由懸浮著許多特殊粒子。當液體因為被子彈沖擊而被攪亂時，其中的特殊粒子相互碰撞，形成了對這種攪動的抵抗力。當攪動力足夠大時，這些粒子其實就已被相互“鎖定”。當子彈高速撞擊這種材料時，“剪切增稠液”防彈衣就會吸引撞擊能量，并迅速變得極其堅硬。
液體防彈衣工作原理
在過去的幾千年中，防彈衣的基本原理沒有什么太大的變化。首先，它用于阻止武器和彈藥直接接觸人體；其次，它分散了武器的能量，降低對人體的傷害。盡管不是在任何情形下都能起到作用，但盔甲基本上能保護人們免受武器--尤其是來自那些正規武器--的襲擊，避免受到嚴重傷害或死亡。多年來，人們不得不發明更強大、更先進的盔甲以應對愈來愈高級的武器。然而，盡管經過多次改進，現代防彈衣依然有著與古代盔甲相似的缺陷。無論是用金屬板還是纖維制作的盔甲都很笨重，而且許多種類的盔甲都很堅硬，不適用于胳膊、腿和脖子。因此，中世紀時期的金屬盔甲設計了縫隙和接口以便于人們的行動，今天的防彈衣主要用于保護頭部和軀干。
古代的盔甲與今天的防彈衣很像，都是用于保護人們免受武器的傷害，不過它們也同樣沉重、體積巨大而且不靈活。
一種最新式的防彈衣既靈活又輕便。說來也奇怪，這種改進是由于將液體加入到現有的防彈衣材料中。當然，它還沒有完全投入戰斗，研究人員聲稱這種液體防彈衣有取代或輔助現有防彈背心的潛質。最終，士兵、警察和其他人可能都將使用這種防彈衣來保護胳膊和腿。目前主要的兩種液體防彈衣都是使用杜邦公司的凱夫拉防彈纖維，這種纖維通常用于制作防彈背心。當一顆子彈或者彈片擊中凱夫拉防彈背心的時候，防彈材料層會將力量分散至一個大的表面。子彈也可以使凱夫拉防彈纖維伸張，慢慢的消耗彈道的力量并減緩子彈的速度。這個原理與汽車的安全氣囊一樣，安全氣囊可以分散碰撞時產生的壓力，并減緩人體軀干的運動。盡管凱夫拉是一種纖維，凱夫拉防彈衣卻不會像普通衣服一樣擺動和起褶皺。通常，阻擋一顆子彈需要用到20-40層凱夫拉防彈纖維，因此，防彈衣都很堅硬，重量也不輕，一件沒有陶瓷保護層的防彈衣也重達4.5千克以上。有兩種液體可以使凱夫拉防彈衣使用較少的纖維層，讓它變得更輕更靈活。這兩種材料有一種共性--它們都對刺激反映強烈。接下來，我們將介紹它們是由什么制成的，以及為什么會有這種功能？
“液體防彈衣”這個詞可能會誤導一些人，讓他們以為是將流動的液體填充在固體纖維層間。然而，這兩種目前正在研究的液體防彈衣都沒有一個可見的液體層。反之，是將防彈纖維浸泡在這兩種液體的其中一種中。
剪切增稠液體用于防彈衣的制作
第一種液體是剪切增稠液體（STF），當它遇到機械應力或者剪切時，就會變得如同固體一般堅硬。換句話說，在沒有外力作用前，它像液體一樣流動，但在被其他物體強烈的撞擊或者搖動后，它會在幾毫秒內變硬。與剪切增稠物質相反的是油漆，當它被用力搖動或者攪拌時會變的更稀薄。用同等分量的玉米淀粉和水做一個小實驗，您可以看到類似于剪切增稠的效果。如果您緩慢的攪動，玉米淀粉會像液體一樣移動。但是當您用力敲擊它，它的表面會突然變堅固。您也能把它捏成球狀，但是，當您停止施加壓力，小球就破碎了。
現在讓我們來看這一過程是如何進行的。剪切增稠液體是膠質的，一種非常微小的粒子懸浮在液體中。這種粒子相互之間有輕微的排斥，因此它們可以輕易的穿過液體，而不是結成塊或者沉淀在底部。但是當突然的重壓超過了這種排斥力的時候，它們開始團結起來，形成水冷集群。當外部能量消散，粒子之間又開始重新排斥，水冷集群也散開，然后固體恢復成了液體。
受到撞擊前，剪切增稠液體的粒子在平衡狀態，受到撞擊后，它們凝結成塊，形成固定結構。
這種在防彈衣中使用的液體是由懸浮在聚乙二醇中的二氧化硅--沙子和石英中的一種成分--粒子制成。聚乙二醇是一種聚合物，通常用于輕瀉劑和潤滑劑中。二氧化硅粒子的直徑只有幾毫微米，許多報道將這種液體描繪為納米技術的一種形式。用剪切增稠液體制作防彈衣時，研究人員首先用酒精稀釋液體，然后，他們將凱夫拉纖維泡在稀釋后的液體中，再放進烤箱中蒸發掉酒精。這樣剪切增稠物質就滲入了凱夫拉纖維中了，而纖維也適時的固定住這種充滿粒子的液體。當一個物體敲擊凱夫拉纖維時，液體會立刻變硬，讓凱夫拉纖維更牢固。變硬只是幾毫秒內的事，很快，這件防彈衣又變得柔韌了。在實驗室測試中，加入了剪切增稠物質的凱夫拉纖維非常柔軟平滑，不同的是它變得更強大。使用剪切增稠液體的防彈衣只需要較少的夾層，4層加了剪切增稠液體的凱夫拉防彈衣能夠起到與14層普通凱夫拉纖維同樣的作用。此外，加了剪切增稠液體的纖維沒有普通纖維在沖擊時伸展的更長，這就意味著子彈也不會像射入普通纖維時穿透的那么深。研究人員認為，這是因為子彈要用更多的能量作用于剪切增稠液體纖維的伸展。
添加了剪切增稠液體后的防彈衣被子彈擊時的反映
剪切增稠液體防彈衣的研究主要在美國軍隊研究室和特拉華州大學進行，麻省理工學院的研究人員則在進行著另外一種用于防彈衣的液體的研究，接下來讓我們去看一下他們研究的是什么吧。
另一種可以加固凱夫拉防彈衣的材料是磁流變液體（MRF）--一種充滿鐵粒子的油狀物。通常，液體中的表面活性劑環繞著粒子，并保持它們懸浮在液體中。一般來說，鐵粒子占總液體容量的20-40%。鐵粒子非常小，只有3-10微米。不過，它們對液體的粘滯度有很大的影響。在磁場環境下，粒子排成一列，液體迅速變得濃稠。名詞“磁流變液”就是來自于這種效果。流變學是力學的一個分支，主要關注力和物質形狀改變之間的關系。磁力可以同時改變磁流變液體的形狀和粘度。
當暴露于磁場時，磁流變液中的粒子順著場力線排成一列
液體的硬化過程只需1/20000秒。效果的劇烈程度隨液體的成分、大小、形狀和磁場的強度而不同。例如，剛開始麻省理工學院研究人員使用球形鐵粒子，這些鐵粒子即便在磁場下也可以彼此滑過，這會影響防彈衣的加固，因此，研究人員轉而研究其他形狀的鐵粒子，以其得到更好的效果。就像剪切增稠液體，您也可以通過一些普通的現象來認識到磁流變液的效果。將鐵粉與油混合就可以制造一個非常棒的現場展示。當沒有磁場存在的時候，液體可以非常輕易的流動。但是一塊磁鐵便可以使液體變得更加粘稠，或者變成一種與盛它的容器不同的形狀。有時候，差異可以從表面看出來，液體會形成明顯的尖形、槽型和其他各種形狀。藝術家們甚至使用磁鐵、磁流變液體或其他的鐵磁流體來創作藝術作品。用正確的材料密度、粒子形狀和磁場強度，磁流變液體可以從流體變為非常緊密的固體，就像剪切增稠液體，這種改變可以迅速增加防彈衣的強度。這種技術的關鍵因素在于如何誘發流體的改變。要引起一整套防彈衣內磁流變液體的改變需要足夠大的磁鐵，這將使防彈衣變得很重，不便于隨身攜帶，因此研究人員打算在防彈衣內部使用細電路。
置于磁場前后的磁流變液體
沒有電流流過電線，防彈衣會很柔韌，但是打開開關后，電流開始在電線中流動，制造出一個磁場，這個磁場會立刻使防彈衣變得更硬、更堅固。將開關撥到相反的位置后，電流停止流動，防彈衣變回柔韌。除了用來制造更強大、輕便、柔韌的防彈衣，添加了剪切增稠液體和磁流變液體的纖維也有其他用途。比如，用來制作容易折疊和攜帶的抑爆毯，保護周圍人不受爆炸和彈片的襲擊。用于制作遇到撞擊時可以變得堅硬的跳傘靴，保護空降兵的腳不受損傷。液體防彈服也可以用來制作獄警的制服，因為獄警常常要面對鈍器和自制刀刃的襲擊。然而，比起剪切增稠液體，磁流變液體技術的應用存在一定弊端。
這兩種防彈衣目前都還沒有做好參加戰斗的準備。剪切增稠液體凱夫拉防彈服在2007年底可以投入使用。磁流變液體防彈服還需要5-10年的研究和改進，才可以保持穩定的防彈性能。
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