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新式“盾牌”: 真正的刀枪不入
发布日期:2021-10-12 17:31    点击次数:88

自从人类进入火枪时代,武器越来越先进,枪械、子弹日益“锋利”,冷兵器时代的盾牌早已无法胜任保护之职,那么,新式“盾牌”又会怎样重振保护职责?

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得益于新材料

新式盾牌主要指防弹衣,像马甲一样穿在身上,护住人体胸腹等要害部位,基本能挡住绝大部分伤害。这完全得益于50多年前一项重大发明。

当时美国杜邦公司一位化学家——克沃勒克发明了划时代意义的新材料。它质地很轻,又很柔韧,最重要的是它异常坚固。在同等重量情况下,它比钢铁还要坚固5倍。这种特性使它非常结实,能挡刀剑劈刺,还能挡子弹,足以胜任新式盾牌之冠。

它就是聚对苯二甲酰对苯二胺,实际上就是一种塑料。当然它还有个大名鼎鼎、更通俗的名字:凯夫拉尔纤维。凯夫拉尔纤维发明后,被广泛应用于防弹背心、士兵头盔等各种军事装备上,而且还用在了国际空间站的防护层上。

凯夫拉尔纤维是一种高分子聚合物,成就它的正是其独特的分子结构。一般的聚合物分子链是随机排列,好比一团绳子很容易被拉开。而凯夫拉尔纤维的则是有序排列,好比一团绳子理顺了,根根排列在一起,能产生很大的强度,不会轻易断裂。

强力拦阻

这种特性,使凯夫拉尔纤维坚固而轻盈,成为制作防弹衣的最佳材料。首先,要对纤维进行纺纱,像织布那样把它织成纱线以及纺织品。接着,对多层纺织品进行树脂热压,从而制成挡子弹的复合材料。如果想提高挡子弹的威力,就要用更好的纱线织成更紧凑、更致密的纺织品。

当子弹击中复合材料时,会带来强大的冲击力,它必须破除一重又一重拦阻,才能最终射入目标。首先就是复合材料各层开始分离,接着最表面一层纺织品的纤维断裂,然后是下一层的断裂……这些都会大量消耗子弹的冲击力,使其不断减速,直到完全停止。

另外,考虑到高速穿甲弹,还要把碳化硅或氧化铝制成的硬质陶瓷板塞入防弹背心里,遮挡重要器官。凯夫拉尔纤维减缓冲击力的同时,陶瓷板可以阻挡弹头的穿刺力。当然,由于陶瓷材料过于沉重僵硬,不可能用来挡整个身体。

第三硬的黑钻石

50多年来,由凯夫拉尔纤维制成的防弹衣,无论在战场上,还是打击犯罪方面,都立下了卓越功勋。当枪械和子弹随技术日益进步时,防弹衣也在不断进步,科学家一直在寻找凯夫拉尔纤维的升级品。

首先映入眼帘的就是黑钻石,又称黑金刚石、碳化硼,其硬度在地球上可排第三,仅次于金刚石和氮化硼。黑钻石密度是2.52克/立方厘米,相比之下,钢是7.8克/立方厘米,凯夫拉尔纤维是1.44克/立方厘米。因此它很可能是未来阻挡穿甲弹的陶瓷材料。

然而目前困难在于,黑钻石价格居高不下,其开采制造成本太高。但是英国伯明翰大学科学家研发的技术,可以降低成本。传统方法是先把黑钻石原材料加热到2500℃,再花数星期来打磨,制成铸块(2.5x1.5米大小),最后磨成粉末。伯明翰大学研发了一种特殊溶液,加热温度不超过1500℃,就能把原材料溶解在溶液里得到一种新材料,再进行加热就会产生所需要的粉末。

这种工艺温度要求低,大大降低了生产成本。目前已分别得到美国和英国军方的资助,用于研发其在弹道材料上的应用。

源自帽贝的针铁矿

人类很多科技都师从大自然,防弹衣也不例外。英国朴茨茅斯大学的研究人员在帽贝身上发现了一种极其坚固的材料——针铁矿(针铁石、乌钢石)。

帽贝是一种海产贝类,多附着在海边岩石上生活。它有细小牙齿,用来刮擦岩石表面,获取上面的海藻为食。有时刮擦还会产生刺耳的响声,正是由于牙齿里含有针铁矿而异常坚固。针铁矿的纤维结构,刚好也适合制作既柔韧又坚固的防弹衣。

源自螳螂虾的羟基磷灰石晶体

还有孔雀螳螂虾,它那强有力的锤状爪引起了科学家的兴趣。狩猎时,它会把爪子以极高的速度砸向猎物,相当于5.6毫米口径子弹射出的速度。高速度带来巨大的撞击力,猎物会遭到毁灭性打击。根据力的作用原理,它的爪子也要承受同样的撞击力,但却安然无恙。

这主要是因为爪子由一种极其坚硬的材料生成,坚硬程度类似于碳化硅(金刚砂)。爪子前面有一片冲击区域,由精确排列的羟基磷灰石晶体生成。冲击区后面是一层层的螺旋,起到了很好的减震作用。每一层螺旋都与相邻的下一层形成稍微不同的夹角,这种螺旋结构可以防止裂痕的扩展。

它最大的优点,就是可以在常温(或室温、海水温度)下生成,不需要像传统工业生产那样煅烧至高温才能反应。这项研究已得到美国国防部的大力资助。

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如火如荼的研究

除此之外,还有许多关于防弹衣新型材料的研究,很多都是基于大自然的产物,比如蜘蛛丝、石墨烯、纳米纤维素,甚至还有盲鳗(一种海洋生物)产生的软胶粘液。

其中,超高分子聚乙烯最受关注,它类似于塑料袋中的聚合物,但又有不同。塑料袋中的聚合物是以杂乱方式排列的,但超高分子聚乙烯的则是排列整齐的,因为它的纤维从凝胶中纺成,再拉伸对齐。用这种方式制造的纤维材料,在同等重量情况下,强度是钢强度的8~15倍。但是,它还有一个需克服的缺点,即在130℃以上温度时很容易破裂。英国帝国理工学院有一间专门研究防弹衣的实验室,对超高分子聚乙烯的研究已取得一定成果。

这些研究在美国和英国军方的资助下,正如火如荼地进行着,其显著的特点是,它建立了各种弹道材料的计算机模型,是在原子水平上建立的,包括各种聚合物、金属、陶瓷等。

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原子水平上的研究

以往研究都是基于实验数据,凭着子弹射在不同材料上引起的变化而研究。但原子水平上的研究,则是基于原子水平的信息,建立模型来模拟防弹背心的性能,从而在原子水平上开发出新材料。

目前,在计算方程上已取得了重大突破,这提高了模拟运算的速度和准确率。因为它是为聚合物中单个原子相互作用而设计的,可以实现模拟上百万原子相互作用的功能。在此之前,只能实现大约1000个原子相互作用。事实也证明,这些模拟运算与量子力学计算的数据比实验数据更精确。



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