隨著全世界反恐力度增大和個(gè)體的防護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，防彈裝備要求具有高比強(qiáng)度、高比模量、低密度、高防護(hù)力、高服用性等特點(diǎn)。防彈材料的研發(fā)是國家軍事實(shí)力的重要體現(xiàn)，高性能纖維材料具有高強(qiáng)高模、耐沖擊性好、防護(hù)性能高、性能可設(shè)計(jì)強(qiáng)等特點(diǎn)，在人體防彈領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。高性能纖維材料在受到高速拉伸和剪切時(shí)，纖維將沖擊能向沖擊點(diǎn)以外的區(qū)域進(jìn)行傳播，能量被吸收或擴(kuò)散。普通高性能纖維干布疊層20~40層時(shí)可以抵御高速彈道沖擊，但會(huì)造成防彈材料緊固而厚重。剪切增稠液（STF）是一種智能防彈材料，當(dāng)它受到高速?zèng)_擊剪切時(shí)，會(huì)迅速由液體變?yōu)楣腆w以抵抗高速撞擊，當(dāng)沖擊力消失時(shí)，發(fā)生可逆相變恢復(fù)到液體狀態(tài)。這種智能防彈材料既能保證基本的防護(hù)功能，又能保證自由靈活地運(yùn)動(dòng)，可廣泛應(yīng)用于整體防彈衣或防護(hù)部件。STF的增稠原理和性能要求、以及STF/纖維復(fù)合材料的制備和防彈機(jī)理的研究現(xiàn)狀是進(jìn)一步深入開展STF/纖維復(fù)合材料性能研究和高響應(yīng)度智能防彈材料的研發(fā)與應(yīng)用的重點(diǎn)。

2021年，河北科技大學(xué)秦志剛教授和閻若思博士課題組在《Composite Structures》上發(fā)表了題為“Processingtechnology and ballistic-resistant mechanism of shear thickening fluid/high-performancefiber-reinforced composites: A review”的文章，文章以STF/纖維復(fù)合材料的防彈機(jī)理和性能特點(diǎn)為重點(diǎn)，綜述了影響彈道沖擊性的各種因素以及彈道性能的不同表征方法，以更好的了解彈道沖擊過程和材料的反應(yīng)機(jī)制。本文第一作者為張倩玉，通訊作者為閻若思博士。

文章將從以下四個(gè)方面進(jìn)行綜述：

STF是一種非牛頓流體，靜態(tài)下呈懸浮液狀，在高速剪切作用下，其黏性迅速增大；外力消失后逐漸恢復(fù)為流體狀態(tài)。STF增稠機(jī)制包括“有序-無序轉(zhuǎn)化”理論、“粒子簇”理論和膨脹理論。

Hoffman提出“有序-無序轉(zhuǎn)化”理論（圖1（a）），他認(rèn)為STF中的分散相粒子在斥力的作用下保持穩(wěn)定的有序排列。當(dāng)其受到剪切應(yīng)力時(shí)，STF產(chǎn)生流體作用力，導(dǎo)致有序排列的混亂，最終致使粒子無序排列，黏度增大。

Bossis等提出的“粒子簇”理論（圖1（b））認(rèn)為剪切增稠是體系中流體作用力促使粒子瞬間相互聚集產(chǎn)生粒子簇，阻礙流體流動(dòng)，促使體系的黏度增加，出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象。

膨脹理論（圖1（c））是當(dāng)納米粒子受到剪切而流動(dòng)的過程中，遇到流體邊界的限制而被迫停止，剪切和邊界會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一對(duì)大小相等、方向相反的正反作用力，并且沿流體中由于粒子摩擦而形成的粒子鏈傳遞，剪切應(yīng)力隨著剪切速率急速增大，形成非連續(xù)性的剪切增稠。

圖1 STF增稠機(jī)理（a）“有序-無序轉(zhuǎn)化”理論；（b）“粒子簇”理論；（c）膨脹理論

1.2 剪切增稠液防彈性能要求

STF/纖維復(fù)合材料的防彈性能受STF流變性的影響，表征剪切增稠行為的參數(shù)有臨界剪切速率、臨界剪切黏度和臨界剪切應(yīng)力。臨界剪切速率是發(fā)生剪切增稠時(shí)的最小剪切速率值，即當(dāng)黏度突然增大時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪切速率值。臨界剪切應(yīng)力和臨界剪切黏度分別指臨界剪切速率下所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力和STF黏度。

STF典型的流變曲線如圖2（a）所示。隨著剪切速率的增加，STF的黏度急劇上升且呈非線性。剪切起始時(shí)分散相在介質(zhì)中隨機(jī)分布，顆粒間弱鍵斷裂且呈層狀取向流動(dòng)，流動(dòng)阻力降低而表現(xiàn)出黏度下降。隨著剪切速率的增加，顆粒的水動(dòng)力增強(qiáng)，顆粒間距離減小形成水團(tuán)簇，阻礙流體流動(dòng)表現(xiàn)出剪切增稠行為。

目前研究報(bào)道中STF常為單剪切增稠，但有特殊結(jié)構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出雙剪切增稠行為（圖2（b）），即在達(dá)到粘度峰值后，隨著剪切速率增加，再次發(fā)生剪切增厚行為。Qin所發(fā)現(xiàn)的，采用離子液體做為分散介質(zhì)時(shí)，62wt%的SiO2/1Ethoxyl-3-MethylimidazoliumTetrafluoroborate (1乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸)剪切增稠液在低剪切速率和高剪切速率下可以表現(xiàn)出獨(dú)特的雙剪切增厚行為。

圖2 STF流變曲線（a）STF典型流變曲線及增稠過程；（b）STF雙剪切增厚行為曲線

1.3 STF/纖維復(fù)合材料防彈機(jī)理

一般纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在受到彈道沖擊時(shí)，通過纖維拉伸斷裂、織物變形、分層、摩擦等機(jī)制吸收能量，其中材料變形和纖維斷裂是主要吸能方式。Carr和Chen等認(rèn)為纖維在彈道沖擊時(shí)的失效模式包括拉伸破壞和剪切破壞兩種。然而，STF/纖維復(fù)合材料具有雙重防彈機(jī)制：首先，STF增加了紗線間的摩擦和運(yùn)動(dòng)阻力以吸收更多動(dòng)能，常應(yīng)用于沖擊速度低于STF浸漬織物中紗線的最終穿孔速度的情況；其次，STF固化過程限制纖維運(yùn)動(dòng)，增加纖維前期斷裂幾率，常用于沖擊速度高于STF浸漬織物中紗線最終穿孔速度的高速?zèng)_擊情況。

當(dāng)STF/纖維復(fù)合材料中纖維上附著納米顆粒，可增加纖維間摩擦力，限制紗線的運(yùn)動(dòng)。在織物受到高速?zèng)_擊時(shí)纖維不易發(fā)生滑移，抗剪切能力增強(qiáng)，子彈與納米顆粒間的摩擦也會(huì)消耗沖擊能量（圖3（a））。彈道沖擊下纖維發(fā)生滑移產(chǎn)生的剪切速率達(dá)到臨界剪切速率時(shí)，會(huì)使納米顆粒凝聚產(chǎn)生增稠現(xiàn)象，STF的黏度迅速增大，使織物受到束縛不易變形，與STF共同產(chǎn)生耦合效應(yīng)，促使應(yīng)力波沿主紗向整個(gè)織物傳播，從而增強(qiáng)防彈效果，如圖3（b）所示。

圖3 STF/纖維復(fù)合材料防彈機(jī)理（a）SiO2納米顆粒在纖維上的粘附；（b）復(fù)合材料的防彈機(jī)理。

2 剪切增稠液浸漬纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備方法

2.1 剪切增稠液的原料選擇與制備

STF由分散相粒子和分散介質(zhì)組成的。分散相粒子一般是無機(jī)納米顆粒、礦物質(zhì)或聚合物，如二氧化硅、聚苯乙烯、碳酸鈣等。分散介質(zhì)可以是水、有機(jī)物等單一溶劑或者是兩種或多種的混合溶劑，分散相在介質(zhì)中通過布朗運(yùn)動(dòng)和電荷作用使分散較為穩(wěn)定。表1是常用的剪切增稠液的配方分類。

表1 剪切增稠液配方分類

STF配置通常采用機(jī)械攪拌、超聲振動(dòng)或高速球研磨法來輔助分散相均勻分布。機(jī)械攪拌法效率較低，納米級(jí)粒子分散均勻度受限；超聲振動(dòng)法使分散相分布均勻且不易引入雜質(zhì)；高速球研磨法通過球磨得到的STF均勻度最高。

2.2 纖維增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)

基于芳綸、碳纖維、超高分子量聚乙烯纖維等高性能纖維，增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)類型主要分為二維織物單層疊加、多元復(fù)合結(jié)構(gòu)以及三維結(jié)構(gòu)。研究報(bào)道用于STF/纖維復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)類型如表2所示。

表2 纖維增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)類型

同種織物疊加而成的增強(qiáng)體，一般由具有同種結(jié)構(gòu)的織物疊加而成（圖4（a）），二維織物通常為高保型機(jī)織物，其中平紋結(jié)構(gòu)相比于同等面密度的斜紋、緞紋結(jié)構(gòu)具有更多的交織點(diǎn)，分散能量更多，防彈性能更高。

多元復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖4（b））可綜合各組分材料的優(yōu)勢(shì)并利用各自性能優(yōu)勢(shì)取得最佳防彈效果。應(yīng)用表明，STF/高性能纖維織物復(fù)合防彈材料比傳統(tǒng)金屬裝甲性價(jià)比更高，金屬材料、高性能纖維織物和STF混雜而成的復(fù)合材料具有更強(qiáng)的防彈性能。其中金屬材料有助于減少裂紋傳播，提升載荷均勻分布程度；高性能纖維增強(qiáng)了材料對(duì)子彈穿透的抵抗力；STF有助于提高混合層壓板的強(qiáng)度、耐磨性和抗沖擊性能。

三維整體結(jié)構(gòu)包括經(jīng)編間隔織物（圖4（d））和三維機(jī)織物，經(jīng)編間隔織物本身具有比普通織物更好的抗沖擊性能。Chatterjee在間隔織物中間添加STF，并對(duì)經(jīng)編間隔織物進(jìn)行性能測(cè)試，通過數(shù)值模擬研究其失效機(jī)制和防彈原理，發(fā)現(xiàn)其防彈性能增強(qiáng)。三維結(jié)構(gòu)（圖4（c））不易分層，具有良好的整體性，在經(jīng)編間隔織物的立體空腔中添加STF制備的復(fù)合材料防彈性能明顯增強(qiáng)。

圖4 增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)（a）織物疊層；（b）多元復(fù)合結(jié)構(gòu)；（c）三維結(jié)構(gòu)；（d）經(jīng)編間隔結(jié)構(gòu)

2.3 剪切增稠液與纖維增強(qiáng)體復(fù)合

STF與纖維增強(qiáng)體的結(jié)合方式有浸漬、噴涂、填充等，如圖5所示。

圖5 復(fù)合材料復(fù)合方式（a）浸漬；（b）浸漬擠壓；（c）噴槍；（d）刷涂；（e）填充

3 影響防彈性能的因素

由高性能纖維和STF組成的復(fù)合材料的防彈性能受到很多因素的影響，其中外部因素包括子彈的大小、形狀和速度，還有環(huán)境的溫濕度等；內(nèi)部因素分為纖維織物影響和剪切增稠液影響，纖維織物受纖維種類、粗細(xì)、織物密度、織物組織結(jié)構(gòu)、織物層數(shù)、疊層角度等影響，而STF主要受分散相粒子種類、大小、含量，分散介質(zhì)種類以及環(huán)境溫度的影響。以下主要選取近五年關(guān)于剪切增稠防彈性能的研究，討論纖維織物和STF的影響。如表3所示。

表3防彈性能的影響因素

3.1 增強(qiáng)體的影響

3.1.1 織物材料

材料對(duì)織物防彈性能的影響最大，為了保證防彈材料具有強(qiáng)度高、模量高、化學(xué)穩(wěn)定性好、比能量吸收高、優(yōu)良的耐沖擊和抗切割性能等，常使用高性能纖維做為防彈材料。

3.1.2 增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)

同種織物疊加而成的增強(qiáng)體，織物疊加的順序（浸漬STF與未浸漬STF的順序）和疊加角度都會(huì)對(duì)防彈性能產(chǎn)生影響。當(dāng)?shù)蛷椥阅Ａ亢透邚椥阅Ａ康牟牧戏謩e放置在面板的前后側(cè)時(shí)，其材料的延伸率同步發(fā)生，從而可獲得更高的能量吸收，因此，當(dāng)STF/纖維復(fù)合材料位于面板背面時(shí)，STF能獲得足夠的響應(yīng)時(shí)間，防彈效果更好。單向鋪設(shè)織物吸能相對(duì)較少，多軸向疊層角度的數(shù)目越多，對(duì)于給定織物層數(shù)時(shí)，沖擊吸能效果越好（圖6（a））。

多元復(fù)合結(jié)構(gòu)可以綜合各組分材料的優(yōu)勢(shì)并利用各自性能優(yōu)勢(shì)取得最佳防彈效果。應(yīng)用表明，混雜復(fù)合防彈材料比傳統(tǒng)裝甲性價(jià)比更高，Haro開發(fā)一種能結(jié)合5086-H32鋁合金、Kevlar-49 /環(huán)氧復(fù)合材料和剪切增稠液(STF)性能的新型復(fù)合材料復(fù)合材料層合板，與此種方法類似的還有在多層泡沫鋁/超高分子量聚乙烯層合板中加入STF。

三維結(jié)構(gòu)包括經(jīng)編間隔（圖6（b））、三維機(jī)織（圖6（c））和三維編織結(jié)構(gòu)。三維結(jié)構(gòu)不易分層，具有良好的整體性，在立體空腔中添加STF制備的復(fù)合材料防彈性能增強(qiáng)。紗線種類、紗線比例及軸向相對(duì)位置會(huì)影響三維結(jié)構(gòu)的完整性，從而影響其防彈性能。

圖6 增強(qiáng)體的影響（a）二維織物疊加；（b）三維經(jīng)編間隔織物；（c）三維機(jī)織物

3.2 STF的影響3.2.1 分散相

STF對(duì)復(fù)合材料彈道性能影響最大的是分散相粒徑和含量（圖7（a））。顆粒表面的比電荷越大，越不容易形成粒子簇，隨著顆粒尺寸的增大，STF臨界剪切速率減小。納米結(jié)構(gòu)分散相含量過高，易造成粒子凝聚現(xiàn)象，粒子分散不均勻可導(dǎo)致織物防彈性減弱。對(duì)納米硅顆粒進(jìn)行改性（圖7（c））或等離子體處理，增加粒子間的相互作用，在較低的剪切速率下即可表現(xiàn)出顯著的剪切增稠行為，使STF/高性能纖維織物復(fù)合材料的能量吸收能力明顯提升。

3.2.2 分散介質(zhì)

分散介質(zhì)分子量的增加對(duì)剪切增稠性能的影響有3個(gè)方面：首先，分子量的增加會(huì)導(dǎo)致STF初始黏度的增加；其次，STF臨界剪切速率明顯減小；第三，二氧化硅顆粒與分散介質(zhì)間的氫鍵數(shù)量減少，易形成水團(tuán)，在剪切力較低時(shí)發(fā)生剪切增稠行為，因此，隨著分散介質(zhì)濃度和分子鏈長度的增加，剪切增稠行為增強(qiáng)，防彈性能提高。

3.2.3 微納填料

多相STF的增稠比均小于單相STF，由于顆粒間的添加劑限制粒子簇的擴(kuò)展而衰減了增稠機(jī)制，添加劑顆粒越粗，其在懸浮液中占據(jù)空間越大，可阻止粒子簇的擴(kuò)展。在STF中加入碳納米管，STF有一定的導(dǎo)電性，可做智能可穿戴材料，隨著碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，C-STF的剪切增厚效應(yīng)增強(qiáng)（圖7（d））。

3.2.4 制備方式

STF配置通常采用機(jī)械攪拌、超聲振動(dòng)或高速球研磨法來輔助分散相均勻分布。機(jī)械攪拌將分散相一次或多次加入到分散介質(zhì)中，效率較低，納米級(jí)粒子分散均勻度受限；超聲振動(dòng)方法是使用較多的一種方式，將分散相多次加入到分散介質(zhì)中，分散相分布均勻且不易引入雜質(zhì)；高速球研磨法通過球磨得到的STF均勻度最高。為提高分散效率，通常用低沸點(diǎn)、活性低的小分子溶劑將分散介質(zhì)稀釋至均勻分散，再將小分子溶劑去除，可以縮短STF的制備周期。

3.3 結(jié)合方式

STF/纖維復(fù)合材料制備方法有浸漬法、涂層法、填充法等（表3）。涂層法是將STF液體通過工具涂抹或采用霧化噴槍均勻噴涂到纖維增強(qiáng)體表面，STF滲透性較差且易脫落；浸漬法可以將STF充分浸入到纖維中，結(jié)合較為緊密；填充法是將STF直接填充到三維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體中，如經(jīng)編間隔織物，當(dāng)受到彈道沖擊時(shí)，STF受到嚴(yán)重壓縮，更加致密化，其膨脹程度加劇，從而有效抵抗子彈沖擊。

3.4 其他影響因素

STF的流變性易受溫度影響（圖7（b）），升高的溫度加劇了懸浮顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)，降低了PEG的粘度，增加了懸浮中形成水團(tuán)的難度，在較高的溫度下，需要較大的剪切速率來觸發(fā)剪切增厚。吸附在顆粒表面的PEG分子起溶劑化層的作用，溫度降低，溶劑化層厚度減小，增加了STF的有效體積分?jǐn)?shù)，臨界剪切速率減小。同時(shí)溫、濕度影響纖維斷裂強(qiáng)度、拉伸模量等力學(xué)性能，造成纖維性能下降，復(fù)合材料防彈性能減弱。子彈的重量和速度均影響剪切力的大小，剪切力越大，STF發(fā)生增稠效應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間越短，對(duì)子彈出沖擊反應(yīng)越迅速。

圖7 STF對(duì)防彈性能的影響（a）分散相；（b）溫度；（c）Si顆粒改性；（d）微納填料

4 測(cè)試方法

防彈性能的表征方法有很多，其中包括紗線抽拔、沖擊阻力、能量吸收、背面表征（Back face signature）、數(shù)值模擬等。表4列出了防彈性能的主要表征方式。

表4 防彈性能表征方法

紗線抽拔實(shí)驗(yàn)（圖8（a））用來驗(yàn)證STF對(duì)紗線間摩擦力的影響，紗線的拉出力與拉出長度、拉出面外壓力、剪切變形和橫向張力有關(guān)。

對(duì)沖擊彈頭所受的阻力來表示織物防彈效果，沖擊阻力的測(cè)試一般采用落錘式?jīng)_擊儀（圖8（b））或霍普金森壓力裝置（SHPB，圖8（c）），應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以分析織物受力過程。

能量吸收主要通過落錘式?jīng)_擊儀實(shí)驗(yàn)，彈道試驗(yàn)（圖8（d））通過測(cè)試子彈在沖擊試件前后的初始速度和剩余速度，用動(dòng)能的減少量來表示織物的吸能情況，BFS是彈道性能評(píng)估的一個(gè)重要表征，它可測(cè)定非穿透彈道沖擊過程中重要器官內(nèi)傷的致命性。

數(shù)值模擬方（圖8（f））法近期使用較多，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)具有一定的局限性，如子彈速度達(dá)不到要求、容易受到周圍環(huán)境的影響、危險(xiǎn)系數(shù)高等，通過軟件進(jìn)行模擬，可以規(guī)避以上問題，以用更快速且更簡單的方式獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

除了以上常規(guī)的表征方法，還有一些特殊的方式來表達(dá)織物的防彈性能。Zhang等成功地開發(fā)了一種可觀全場(chǎng)、設(shè)置簡單的機(jī)械發(fā)光方法，通過將光照?qǐng)D像轉(zhuǎn)換為能量圖，實(shí)現(xiàn)了能量吸收的可視化。Zhao在STF中加入碳納米管，導(dǎo)電納米管賦予了STF的機(jī)電耦合行為，電阻變化與沖擊能呈良好的線性關(guān)系，電阻值的變化可用于監(jiān)測(cè)沖擊能的大小和破壞程度。Haris 研究了浸漬STF機(jī)織物的沖擊波防護(hù)性能，自制沖擊波管兒（圖8（e）），采用兩種與爆炸損傷有關(guān)的沖擊波參數(shù)來評(píng)價(jià)經(jīng)STF處理的織物的性能，即峰值壓力和壓力上升速率。

圖8 測(cè)試方法（a）紗線抽拔測(cè)試；（b）霍普金森壓力裝置；（c）落錘式?jīng)_擊儀；（d）彈道試驗(yàn)系統(tǒng)；（e）沖擊波管裝置；（f）數(shù)值模擬

STF/纖維復(fù)合材料對(duì)彈道沖擊具有高響應(yīng)度和吸能容限。目前，通過紗線抽拔實(shí)驗(yàn)研究高速?zèng)_擊機(jī)制較為片面，因此，STF/纖維復(fù)合材料防彈性能的評(píng)價(jià)和表征尚需進(jìn)一步研究和完善。纖維增強(qiáng)體的構(gòu)建尚局限于二維疊層結(jié)構(gòu)材料，三維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體及自增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備方法有待研究發(fā)展。纖維增強(qiáng)體與STF之間的復(fù)合方式、界面結(jié)合性、流變滑移及摩擦特性是未來STF/纖維復(fù)合防彈材料的研究重點(diǎn)。