绍兴文理学院 - 《绍兴文理学院报》
四、研究成果
现在防弹衣的研发遇到了一个瓶颈。英国政府对防弹衣的要求是在未来的几年内把重量减轻三分之一,同时保证它的防护性能不降低,甚至还要提高。这样的话,我们肯定需要新的材料。但是新的材料目前不存在。那我们怎么办?这就是英国国防部给我提供了前前后后一百多万英镑的研究基金,使我的团队能够有余地在这方面做些有效的研究。
1.如何减轻与提高我们在做什么呢?按照国内传统的讲法,讲革新和挖潜,挖掘它的潜力。我们从根本上着手考虑防弹的机理,到底什么东西防弹?当然纤维强度它是防弹的,但是纤维是离散的,不是结合成一个整体的。在把纤维加工成布料的过程当中,有没有什么东西可以去做,使得在不增加重量用料甚至减少材料用量的情况下能够提高它的防弹性能?应该讲我们在这方面研究五六年,有些体会我可以和大家讲,是有些方法的。主要我们的工作方面集中在单片布如何加工,这是一个方面;把单片布做好以后,把这么多的层叠加到一起怎么样来叠加,这是我们工作的两个方面。
有布边以后,可以用较少的材料挡住同样能量的子弹,布边没有涡曲、散边的,你必须要有更多的材料才能够把子弹挡住。这个启示很有用,相同能量的子弹,有些布可以用少的量就能把子弹挡住,有些布不行。我们现在一直在追求轻重量,这个就给我们一个启示。
(1)增加纱线涡曲试验过程中,我们把一个小的带布边的布条做成了一个防弹衣。这又给我们一个启示:一个好的防弹材料,它需要材料的连续性,再一个是需要好的对纱线的涡曲,在整片布里头增加对纱线的涡曲。增加对纱线涡曲有各种不同的方法,我们也试了很多不同的方法。纱线在织的过程当中,在经纱上面绕一下,增加涡曲。
再一个子弹打过去以后,布的变形面积远远扩大了。在所有的有这种纱线涡曲的地方,都会产生比较大的变形。也就是说当你一个人受到攻击的时候,你的兄弟姐妹一块来保护你了。大面积的材料都来吸收能量,这是一个好的现象。
在我们研究的过程中,也是遵循了这种理念。为了证明,我们做了一些测试。一个是子弹打到布上去以后,变形的底面积是多少。模拟的时候,摩擦系数越大,纱线中的涡曲越多,低面积就越大。也就是动员了更多的材料,更多的面积的材料来吸收能量;另外一个是比较打击的深度,摩擦系数越大的时候,深度越小,底面积越大,这是好的现象。两种不同的材料,用同一颗子弹打上去,有可能产生底面积很小、深度很大这么一个变形,有可能产生底面积很大、深度很小的这么一个变形。从防弹的角度来说,我们说后者是好的,而前者(底面积小、深度大)是不好的。增加了涡曲,正好就把这个东西体现了出来了。
根据我们做的很多不同面料的实验可以看到,这个东西被证明吸收能量是最多的,就是我们采取措施做了这个纱线涡曲的这一个。在现有的情况下有没有可能提高这个材料的防弹性能呢?有的。我们做的材料比现在常用的性能要高出好多,可以节省10%以上的材料,就是挡住同样的子弹可以节省10%以上的材料。
(2)每层布有转角既然各层布和子弹之间的作用和反作用不一样,那么我们为什么非要用相同的材料?这是一个启示。怎样来提高防弹衣的效能,这也是一个概念,为什么非要用相同的材料?为什么不在合适的地方用合适的材料?这也是我们的一个重点。
为了解决这个问题,我们是沿着几个不同的方向走。我们这个布不是一层一层以形同的方向叠加上去的,而是每层之间有一个转角。假如大家是搞科学技术专业方向、工程专业方向的,就知道各向同性和各向不同性的材料。当然,从防弹的角度来讲,我们需要各向同性的材料。机织的结构绝对不是各向同性,我们越朝着那个方向趋近,那么它的性能就会越好。
转角以后有什么效果?当各层有了转角以后,大家可以看到A、B、C、D、E、F六种情况。第一时刻,你可以看到子弹慢慢穿进去底面积的变化,它基本上是按照圆的形状来产生的,比不转角的要好得多。也就是底面积要大得多,吸收能量的能力也大得多。从实验角度来看,经过同样多的材料,转角以后可以多吸收10%的能量,也就是防弹效能可以提高10%。可以少用10%的材料仍是防弹效能保持在相同的水平上,就无形之中省了10%的材料,原来如果是10斤的话现在就是9斤了。
(3)其他研究还有哪些东西我们在进行研究?就是纤维的断裂模式对我们来讲也是非常重要的。子弹打上去以后纤维究竟是怎么断的,根据这个模式可以来设计材料。再一个就是应变是怎么样分布的?在一层布里怎么分布?在多层布里怎么分布?还有就是机织的结构和层压的结构到底各有什么特点。这是我们做的很多工作。
现在,我们在多层这个方面做了一个东西叫杂交设计。因为子弹和布的这种作用和反作用并不一样,所以我们采取了不同的分配方式,效果也是非常明显的。在第一层的织物里纤维是断裂的,剪切是其主要的作用。子弹打过去以后,下面就被剪切断了。假如有断裂的话,那些断裂是靠撕裂的,而不是直接切断的。
2.结论在这里就做个结论。什么结论呢?传统的纤维技术在制作防弹衣方面仍起着不可替代的作用。但是同时,科学家们在继续寻找着新的材料、新的工艺、新的技术。通过我们的工作,我们建立起了两个概念:第一就是如何实现一层织物对织物中纱线的最好的涡曲,这个我们做了一些探讨,而且有了一些方法;第二,在多层织物里怎么样产生一个最趋向于各向同性的一个办法。还有很多的事情等待我们去做,我们在积极地做,我也希望我们学校的老师同学将来会在这方面做一些贡献。
(根据录音整理,刊发时有删节,未经本人审阅。整理:王慧姣 林纤纤 刘东东摄影:周佳)