基于仿生設計的紡織結構防刺材料研究進展

吳秀桓，葉天宇，李鳳艷

(天津工業大學 紡織科學與工程學院，天津 300387)

自1996年10月1日正式實施《槍支管理法》以來，我國對槍支的管控非常嚴格，但是來自匕首、刺刀等尖利銳器引起的社會不安定因素仍然無處不在[1]。據統計，僅2019年全國公安機關系統中，因公犧牲或者負傷的10 000多名公職人員中，大部分源于刀具的傷害[2]；在森林消防領域，消防員在行進和救火中極易接觸到尖銳物品，對消防服及其身體造成損傷而嚴重影響自身安全和救火任務的實施[3]。除此之外，防刺服在其他特殊環境及日常保障人身安全方面都具有重要的作用。

目前市場上的防刺材料主要分為硬質、半硬質和柔性三大類[4]，但是硬質和半硬質防刺材料在設計和結構上缺乏靈活性和服用性，而柔性防刺材料具有良好的柔韌性和隱蔽性，既能夠滿足公安等特種職業的要求，又可作為日常穿著服裝保護人身安全，所以柔性防刺材料成為當今研發的主流方向。柔性防刺材料所用的基礎纖維原料主要有超高分子量聚乙烯纖維、對位芳香族聚酰胺纖維、聚對苯撐苯并雙噁唑纖維, 此外聚對苯二甲酸丁二酯纖維、蜘蛛絲、蠶絲絲膠、陶瓷纖維、碳纖維、聚酯纖維等也有所應用[5]。目前柔性防刺材料的加工工藝主要有剪切增稠液體整理、樹脂浸漬整理、表面涂層整理、離散樹脂整理和石墨烯強化[6]。柔性防刺材料的防刺層大都采用多層高性能織物疊加來抵抗刀具的穿刺，雖達到了防刺的效果，但是存在厚重的問題，影響防刺服的柔順性以及穿著的舒適性[7]。

為提高防刺材料的柔性和減輕人體穿著負擔，許多學者嘗試從自然生物的防護系統中尋求靈感，進行防刺材料的仿生設計。生物在抵御掠食者攻擊和復雜環境傷害的過程中進化出了獨特的防護系統，其生物材料往往具有優化的性能和組織結構，并且生物個體的防護結構往往兼有柔韌、堅固和輕質的特點[8]。本文從仿生角度綜述了紡織結構柔性防刺材料的種類及其防刺機制，并介紹了基于仿生設計的防刺材料的實現方式，期待為柔性防護裝備的設計與開發提供新的研究思路。

1 仿生防刺材料種類及防刺機制

1.1 仿生鱷魚防刺材料

1.1.1 鱷魚鱗甲結構

為抵御捕食者攻擊，鱷魚進化出了一套有效的柔性皮膚裝甲。Yang等[9]研究了鱷魚的鱗甲結構，發現其背部擁有巨大凸起的骨板，如圖1[10]所示。骨板含致密的皮質骨、原生板層和多孔松質骨，由膠原纖維連接，使得鱷魚的皮膚具有非常好的韌性。Chen等[10]通過顯微硬度測試發現，骨板的最低硬度為280 MPa，最高硬度可達470 MPa。當鱷魚受捕食者攻擊時，其骨板的軸向抗壓強度為67 MPa(A方向)，而長度方向(B方向)和橫向(C方向)的抗壓強度分別為58、40 MPa。骨板的軸向承受了最大載荷，這與來自捕食者牙齒的最大咬合力方向一致。通過觀察骨板在受壓時的微觀變化，確定了如圖2[10]所示的主要的增韌機制：鱗片中的孔洞受壓孔隙率降低，周圍出現細小的裂隙；載荷繼續作用，裂隙間形成膠原纖維橋，因具有一定的彈性而阻止裂隙的擴展；裂隙繼續擴展，裂隙間形成礦物橋。

圖1 鱷魚骨板結構

圖2 骨板的增韌機制

1.1.2 三棱錐型防刺基板

借鑒鱷魚鱗甲模型，袁夢琦等[11]設計出了三棱錐型仿生防刺基板(見圖3[12])，該防刺基板的傾斜角為22.5°，基板厚度為1 mm，三棱錐邊長為10 mm，以改進鈦合金為材料通過模壓成型工藝進行加工。該防刺材料的各個防刺基板通過鉚釘連接，并且采用了加厚弧面對防刺基板進行過渡，提高了整體防刺層彎曲程度，也能更加地貼合人體。經過刀具沖擊測試，1 mm厚的防刺基板能承受24 J的沖擊，滿足GA 68—2008《警用防刺服》的要求。現有的硬質防刺服的質量普遍大于2 kg，該防刺基板在符合0.3 m2的防護面積之下質量只有1.35 kg，并且各基板連接處存在一定的縫隙，改善了防刺服的透氣透濕性，靈活性也得到了提高。

圖3 仿生鱷魚防刺單元和防刺基板

1.2 仿生石鱉防刺材料

1.2.1 石鱉殼板結構

石鱉為海洋軟體生物，其殼體主要由8塊疊瓦狀的殼板構成，按照位置分為頭板、中間板和尾板[13]，背部殼板的周圍有一圈環帶(見圖4[15])，環帶覆蓋著數百個微小、堅硬和重疊的礦化鱗片。石鱉的背部鱗片呈鉤狀，與大多數魚鱗和骨皮不同的是，石鱉鱗甲的成分相對更加均勻，而且鱗片沒有次級層和孔隙。石鱉背部的殼板和腹鱗之間能夠相互滑動，賦予了石鱉外殼的柔韌性和靈活性，可在不平坦的表面上移動，當受到威脅時身體還可以蜷縮成球狀來抵御捕食者的攻擊[14]。

圖4 石鱉鱗甲結構

Connors等[15]研究了石鱉在扁平狀態和防御時卷曲狀態下各殼板間的構象變化，如圖5[15]所示，發現背部殼板的重疊率從62%降到了48%，而縱向曲率指數(殼板4的長度除以扁平狀態下的縱向曲率半徑)由0.4增加到了0.7。研究還發現石鱉環帶上的每個鱗片都嵌套在一菱形基底上，鱗片間具有互鎖機制，當石鱉受到攻擊時，環帶上的鱗片會因為受到外力的擠壓而產生偏轉，使相鄰的鱗片發生勾連并聚鎖在一起，從而減少鱗片之間空隙，促進了所受載荷在鱗片層上的分散。

圖5 石鱉扁平和卷曲形態下的殼板

1.2.2 石鱉鱗甲防刺護膝

護膝對保護人的膝關節起著重要的作用，大致可分為硬質護膝和柔性護膝，柔性護膝主要用于醫療保健以及慢跑、騎行等輕量運動領域[16]，而硬質護膝主要應用在軍事領域。護膝的設計要求具有耐沖撞、能穩定吸收能量和緩沖性能，除達到防護的要求之外還需具有良好的透氣透濕性和貼合性。由于士兵執行任務的時間較長，且往往具有復雜性和危險性，所以軍用護膝的設計在保證防護性能的情況下，還應提高護膝的輕便性和柔韌性并賦予護膝具有一定的防刺功能[17]。鑒于目前市場上的護膝產品難以做到兼顧柔性和防護性的問題，Connors等[14]提出了一個新的設計方案，其采用了塑料材質，通過3D打印技術制作了一款仿石鱉柔性防刺護膝。在尖銳玻璃碎片上進行測試時發現，該仿生石鱉護膝可有效防止玻璃尖刺的刺入，提高了護膝的柔韌性和防護性能，降低了護膝對膝關節活動的限制。

1.3 仿生魚鱗防刺材料

1.3.1 魚鱗結構分析

魚鱗為真皮組織的衍生物，其主要成分為羥基磷灰石并呈板片狀以一定的角度進行疊瓦狀排列，具有一定的取向性[18]。疊瓦狀硬鱗片和軟組織的真皮層為魚體提供了優良的柔韌性和防護性能，并且能根據身體不同區域的需求調整局部保護和彈性。受到攻擊時，魚鱗能發生相對滑動和一定角度的偏轉造成鱗片之間疊合程度的增加，增大了穿透阻力。疊瓦狀的鱗片可以將單個鱗片上所受的載荷直接傳遞到相鄰的鱗片上，將力分散到更大的區域，并且鱗片層下的真皮層具有彈性能為鱗片所受的沖擊提供一定的緩沖，減小對下層組織的損傷[19]。Zhu等[20]研究了單個鱗片的穿刺力學，通過對條紋鱸魚進行穿刺實驗，證明了魚皮完全破壞時的載荷與鱗片層數呈線性關系，還確定了鱗片間的摩擦力對穿刺阻力的影響可以忽略不計。魚皮有著輕質、柔韌性好的優點，這與柔性防刺服的設計要求相契合，為防刺層的設計提供了一個新的思路。

1.3.2 仿生魚鱗防刺結構防護服

參考鯽魚魚鱗的形狀及鱗片搭接方式，于春玲等[21]設計并改進了防刺甲片的形狀和搭接結構，改進后的防刺服與傳統防刺服相比，防刺服的柔性得到顯著提高。Rudykh等[22]根據魚鱗的結構設計了復合硬板/軟基質材料結構，其用丙烯酸基光聚合物作為鱗片嵌入到軟彈性基底材料(TangoPlus)當中，并在該材料上進行了穿刺和和彎曲測試(見圖6[22])，結果表明其與無鱗片覆蓋的軟基底材料相比，抗穿刺性能增大了40倍而柔韌性降低不到5倍。該結構的防護性能和柔性可通過對仿生鱗片的板傾角和體積分數進行調整，在體積分數約為0.3并且傾角為10°或20°時提供了防刺性和柔性的最佳組合。仿制條紋紅色鯔魚的鱗甲系統，Funk等[19]研發了合成保護軟材料，其用醋酸丁酸纖維素(CAB)制成的重疊小板來充當魚的鱗片，并用柔性聚丙烯網來作為魚的真皮基底，二者通過棉線進行連接。通過對該仿生結構進行彎曲測試發現，其彎曲響應機制與條紋紅色鯔魚相符合(見圖7[19])，展示了其作為軟質材料的保護層的潛力，但是該仿生魚皮鱗片的硬度還無法達到目前防刺服的標準，還需進一步的改進。

圖6 仿魚鱗防刺材料穿刺和彎曲測試

圖7 仿條紋紅色鯔魚鱗甲系統

1.4 仿生荷葉形防刺材料

1.4.1 荷葉結構分析

如圖8(a)[23]所示，荷葉的脈狀結構中，其主脈從葉子的中心以16°～20°向葉緣定向擴散，且具有高彈性、高強度和低模量的特點，其分支的主脈具有較好的柔韌性和可塑性，在受到風等外力作用時會產生一定的彎曲[23]。荷葉還具有蜂窩狀六邊形層級結構，且該結構從荷葉的表面到內部逐漸變小，如圖8(b)[24]所示。荷葉相互平行的微管提高了荷葉的韌性，其蜂窩狀分層結構提高了荷葉的穩定性并減輕其質量；荷葉的傘狀葉脈對葉子起到支撐作用[24]。因此，荷葉經過不斷的進化，不僅具有優異的超疏水性能，其組織結構也具有優秀的力學性能。

圖8 荷葉結構

1.4.2 仿生荷葉防刺服

為改善防刺服存在的各向防刺性能不均勻和防刺基板設計不合理的問題，王學洲等[25]基于荷葉的形狀設計了一款高強輕質復合防刺服，并且防刺基板的排列呈平面網狀蜂窩結構，其將鈦合金板加工成厚度為0.8 mm、邊長為15 mm的荷葉形防刺基板，如圖9[25]所示，并通過在防刺基板的表面涂抹高強度的有機涂層以增強基板的防刺性能。防刺基板和織物之間通過膠黏劑進行連接，并在防刺層下設有軟質泡沫塑料減震層。荷葉形防刺基板之間連接的縫隙小于1.5 mm，縫隙的存在允許各防刺基板之間可以有一定彎曲，這顯著提高了防刺服的柔軟性，其邊沿的弧形結構可以有效握持住刀尖，提高了防刺服的各向防刺性。防刺材料選用輕質的鈦合金極大的減輕了防刺服的整體重量，而防刺基板以平面網狀蜂窩結構排列也增加了防刺層整體的穩定性。

圖9 荷葉形防刺基板

2 仿生設計的防刺材料制備方法

2.1 3D打印技術

3D打印技術廣泛應用于建筑、航天航空和生物醫療等領域，具有快捷性和精密性，為產品的設計提供了更多的可能[26]。Johnson首先提出將3D打印激光燒結技術應用到防刺服的制作當中[27]，而后越來越多的學者將其應用到了防刺產品的研發上。如美國弗吉尼亞研究院[14]通過3D打印技術制作了防刺護膝；宮政等[28]采用3D打印激光燒結加工成形技術，設計了微蛋殼型防刺基板結構；Funk等[19]和Rudykh等[22]各自仿生鱗片的制作也是通過3D打印技術完成。3D打印雖有便利性，但也存在著打印材料的局限性和成本較高的問題[27]，而且該技術大多只適用在核心防刺部位的打印上。

2.2 激光雕刻技術

激光雕刻技術主要是利用高能量密度的激光束在材料表面發生氣化效應、光化學反應以及熔蝕效應，廣泛應用在陶瓷、印章的雕刻上[29]。激光雕刻具有高精密和快速成型的特點，且雕刻的形狀清晰度高不易磨損[30]，這為仿生鱗片表面形狀的加工提供了便利。Chintapalli等[31]從犰狳的骨皮結構中獲取靈感，通過激光雕刻技術在薄玻璃板上雕刻出了六邊形防刺結構，并將其放置在橡膠軟基底上進行穿刺測試，結果表明該仿生六邊形結構與連續的玻璃板相比防刺阻力提高了70%。Martini等[32]設計了仿生魚鱗柔性防刺結構，其加工工藝過程如圖11[32]所示。用激光雕刻機在氧化鋁條刻上圖案，并用氰基丙烯酸酯黏合劑與預先拉伸聚氨酯彈性條體進行黏合，在固化膠水之后，釋放彈性體條以允許氧化鋁鱗片彼此滑動并重疊，將鱗片轉移到可彎曲的硅膠膜上，最終剝離彈性條體以產生魚鱗狀柔性防刺結構。該設計方案具有廣泛的適應性，將其應用在凱夫拉防割手套上，用硅膠管來模擬人的手指在16 mJ的穿刺能量下進行了測試，手套內部的硅膠管沒有任何損傷。目前的防割產品大多存在防割不防刺的問題，而在凱拉夫手套上覆蓋陶瓷片這種工藝能將防割和防刺有機結合在一起，既提高了其防護性能又不缺失手套的靈活性。

圖10 激光雕刻法仿魚鱗結構制作流程

3 結論與展望

我國防刺織物的防刺類型單一，所用纖維材料成本高，開發途徑缺少創新，仍以涂覆、層疊復合、加金屬絲/環等傳統方式為主，因此，仿生自然界中動植物的防護機制，通過3D打印、激光雕刻技術等構筑紡織結構防刺材料，為防護裝備的開發開拓了新的思路。

但是也看到，目前仿生防刺基板多數仍處于孵化階段，在各種復雜環境中實踐應用的防刺效果尚待檢驗。而且這些防護基板的應用領域以半硬質防刺服且以局部防刺為主，舒適性仍不夠，成本也是居高不下。未來可著眼于如下方面的研究提高仿生設計的紡織結構防刺材料的性能：

①繼續探尋自然界中各類生物的防護結構，深入剖析其防刺機制，豐富紡織結構防刺材料的仿生設計種類。

②突破局部防刺限制，從織物表面的仿生防護結構的直接合成、防刺纖維材料和紡織結構設計創新等角度，多渠道開發基于仿生設計的紡織結構防刺材料，實現仿生防刺結構在防護服上的整體作用發揮。