近日，江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院/針織技術(shù)教育部工程研究中心馬丕波課題組實(shí)現(xiàn)了以蛇皮為靈感的鱗片織物結(jié)構(gòu)防護(hù)材料的大規(guī)模制備。本工作提出的復(fù)合鱗片織物由柔軟的織物底層和相互重疊的片狀化硬質(zhì)殼層鱗片共同組成，克服了輕質(zhì)高強(qiáng)與柔軟舒適這對(duì)天然矛盾，實(shí)現(xiàn)了防護(hù)材料的長(zhǎng)時(shí)間舒適性穿著，這有望為未來(lái)材料結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供啟示，并為個(gè)人防護(hù)裝備在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供巨大的實(shí)質(zhì)性優(yōu)勢(shì)。相關(guān)成果以“Large-Scale Fabrication of Snake Skin-Inspired Protective Composite Textiles”為論文標(biāo)題在線發(fā)表在《Advanced Fiber Materials》期刊(IF=16.1)。江南大學(xué)針織中心2019級(jí)博士研究生劉青為論文第一作者；江南大學(xué)馬丕波教授、董智佳副教授及武漢紡織大學(xué)陳鳳翔教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52373085和11972172）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目( JUSＲP22026)、江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（PAP）等項(xiàng)目資助。論文全文鏈接為：doi.org/10.1007/s42765-024-00396-7。
1. 文章概述
暴力或恐怖襲擊事件對(duì)民眾，尤其是對(duì)執(zhí)法和安全保障人員的生命安全構(gòu)成極大威脅。數(shù)據(jù)顯示，相較于槍械，利器如刀具更常見(jiàn)于這類事件，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)有效防刺裝備需求的增長(zhǎng)。天然皮革盔甲通常采用鱗片狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)為柔性曲面提供了出色的保護(hù)性能和靈活性，在開(kāi)發(fā)防刺性與舒適度兼?zhèn)涞母咝阅芊雷o(hù)材料方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿??；谏秣[片的靈活性與防護(hù)性特征，實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)鱗片結(jié)構(gòu)與柔性基材的有效集成，從而達(dá)到材料的剛?cè)岵?jì)效果依舊是未能解決的研究重點(diǎn)。本文受蛇皮重疊結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用針織技術(shù)的高成形靈活性，選用綜合性能優(yōu)異的超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE），編織了仿生鱗片狀針織物（SLKF）。然后，織物的鱗片部分通過(guò)短切碳纖維（CF）填充環(huán)氧樹(shù)脂（ER）共同集成，以形成類似蛇皮的軟硬統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，也稱為增強(qiáng)鱗片狀針織物（R-SLKF）。通過(guò)將硬質(zhì)鱗片集成到織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，展示了防刺性和靈活性兼具的潛力。分段鱗片的存在增加了織物的柔韌性，使其可在橫、縱向等多個(gè)方向自由扭曲，具有與織物面料相似的柔韌性（~290 mN cm），可較好的貼合人體曲面；經(jīng)處理后的鱗片結(jié)構(gòu)防刺材料因其獨(dú)特結(jié)構(gòu)，并未對(duì)材料整體的透氣性產(chǎn)生較大影響，即鱗片間間隙的存在主要對(duì)透氣性產(chǎn)生影響，因而保留了極佳的透氣性（100 MPa，423 mm/s）；鑒于鱗片防刺材料差異化的結(jié)構(gòu)表面，基體材料本身的特性及對(duì)織物氣孔的阻擋，賦予鱗片復(fù)合材料極佳的隔熱性（0.28°C/s），材料結(jié)構(gòu)越松散、氣孔越大，隔熱性越差，基體材料厚度越大，阻礙作用越明顯。以上特征可保證以鱗片狀針織物柔性復(fù)合材料為基礎(chǔ)制備的防刺服在人體中長(zhǎng)時(shí)間的舒適穿著。
2.
圖文導(dǎo)讀
圖1 R-SLKF的制備與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（a）R-SLKF的靈感來(lái)源；（b）R-SLKF在個(gè)人防護(hù)領(lǐng)域的使用；（c）R-SLKF的防刺性、（d）柔韌性及（e）優(yōu)異的隔熱性;（f）R-SLKF的制備過(guò)程;（g-h）R-SLKF的結(jié)構(gòu)示意圖；（i） R-SLKF的側(cè)面結(jié)構(gòu)參數(shù)
圖2 R-SLKF在不同基體靜置時(shí)間、穿刺位置和方向下的防刺性能（a-f）基體在不同靜置時(shí)間下制備的R-SLKF外觀形態(tài)；（g）R-SLKF I和（h）R-SLKF II的截面SEM圖像；（i-j）基體在不同靜置時(shí)間下制備R-SLKF的防刺性能及比峰值載荷；（k-l） R-SLKF在三個(gè)不同穿刺位置的防刺性能及峰值載荷;（m-n）R-SLKF在三個(gè)不同穿刺位置的防刺性能及峰值載荷
圖3 R-SLKF斜向穿刺、正反面穿刺及CT掃描結(jié)果（a） 斜向穿刺及刀尖處的應(yīng)力分布；（b）R-SLKF斜向穿刺防刺性能及（c）在三個(gè)穿刺方向上的峰值載荷；（d） R-SLKF正面和背面穿刺時(shí)的受力情況；（e）R-SLKF正反面的穿刺情況及（f）峰值載荷；（g）R-SLKF I和（h）R-SLKF II正反面的穿刺過(guò)程；（i-k）R-SLKF I和（j-l）R-SLKF II在三個(gè)切片方向上的CT掃描結(jié)果
圖4 R-SLKF的柔韌性、透氣性和綜合特性比較（a）SLKF和R-SLKF在手掌上的彎曲角度；（b）SLKF和R-SLKF在圓形工具上的懸垂角度；（c）SLKF和R-SLKF的垂度角；（d）SLKF和R-SLKF的彎曲剛度；（e）SLKF和R-SLKF的透氣性；（f） 這項(xiàng)工作與先前報(bào)道的防刺材料之間的比較；（g）防刺材料的比峰值載荷；（h）與先前報(bào)道的防刺材料的綜合性能比較