软硬可调智能材料制造更强防弹背心

　　“锁子甲”和蝙蝠侠披风提供灵感

　　新一代智能材料软硬可调

　　■陈济桁　　

　　铝合金3D打印制造而成的八面体结构单元，通过相互连接制成的链甲状材料

　　近年来，随着材料学的发展和制造技术的进步，新材料层出不穷，智能材料受到广泛关注。2021年8月，美国加州理工大学和新加坡南洋理工大学共同宣布开发出一种新型材料，可在承受外部压力的情况下，实现材料由软到硬的智能调节。这种材料在军事上的潜在应用前景，已经引起美军方的关注。

　　结构单元是设计关键

　　研究人员的目标是设计一种“可根据指令改变强度的材料”，这种材料能以一种“可控”方式实现柔性和刚性状态之间的自由切换，同时可承受一定载荷。

　　研究人员称，要实现这一点，所用材料首先应具备一定强度，其次还必须拥有特殊的内部结构单元，才能实现从柔软到坚硬的智能变化。通过观察欧洲中世纪士兵身着的“锁子甲”和电影中的蝙蝠侠披风设计， 研究人员发现，这一变化可通过材料内部结构单元的“收”和“放”来实现，就像真空包装的大米那样。当真空包装未解封时，其内部颗粒处于高度挤压状态下，可承受较高的外部压力。一旦真空包装被破坏，空气进入，颗粒间缝隙增加，便可轻松倒出。受此启发，研究人员最终设计出一种利用中空微小结构单元、以互锁形式形成的、同时可根据需求改变强度的整体织物，他们称其为“可穿戴结构化织物”。

　　性能得到测试验证

　　为实现最佳效果，研究人员采用多种不同结构单元，包括连接环、立方体和八面体等，将其3D打印出来，利用材料建模方式对其结构特性进行模拟分析。分析结果显示，以八面体为结构单元的织物机械性能(从柔软到坚硬)最好。随后，研究团队又利用尼龙塑料3D打印八面体结构单元，使其按照互锁结构排列，并将其真空压实封装。检测结果表明，其结构强度提高了25倍，负载达到自身重量的50多倍。

　　为进一步检验其性能，研究人员又使用铝合金3D打印这种材料结构单元，发现铝合金结构单元具有与尼龙结构单元相同的柔韧性和柔软度。而在压实后，由于铝合金结构单元比尼龙结构单元的强度和硬度高，因此其整体结构的强度和硬度也更高。

　　军事应用潜力明显

　　这种“可穿戴结构化织物”在智能可穿戴设备中具有潜在应用价值。在结构未压实时，其重量轻、质地柔软且穿着舒适。在结构压实后，它能为穿戴者身体提供支撑和保护。如果将这种智能织物用凯夫拉纤维进行封装，即可形成防护能力更强的防弹背心。这种智能织物还可用于制造机械外骨骼、自适应校正器械等。此外，研究团队还在努力提高材料性能，寻找使其变强变硬的其他方法。

　　目前，有关这种智能织物的相关研究成果已经在美国《自然》期刊上发表。这项研究工作已得到美国军方的支持。