記憶合金在防護領域的應用

李丹丹,張 燕,劉永佳,張凱凱

(北京普凡防護科技有限公司,北京 100161)

1 記憶合金

1.1 記憶合金的概述

形狀記憶合金也稱記憶合金,是由2種或2種以上的金屬元素組成,可以在一定溫度和應力相互作用下進行相變的金屬基智能復合材料。1932 年瑞典科學家OLANDER A 首次觀察到Au-Cd合金的“記憶”效應,但當時的科學條件較薄弱,導致人們未關注這一現象[1]。直至1963年,美國海軍軍械研究所的BUEHLER WJ等研究發現Ti Ni合金有一個轉變溫度,即在高溫下將Ti Ni合金加工成彈簧形狀,然后在低溫下改變為拉直形狀,再對其加熱,發現Ti Ni合金會自動恢復為彈簧原狀[2-3]。這一現象確定了“記憶合金”的存在,并將其稱為形狀記憶效應。至此記憶合金相關的研究工作才越來越多,引起了世界各國科研人員的極大關注和積極探索。記憶合金可以被加工制作成纖維、絲、顆粒、薄膜等多種形式,還可以與其他材料結合加工成形狀記憶復合材料[4]。

1.2 記憶合金的特性

記憶合金的顯著特性包括超彈性和形狀記憶效應,并且具有良好的吸能特性、高阻尼性能、抗疲勞性、抗腐蝕性、耐磨性、高比強度、能反復使用、使用壽命長、輸出能量大、可恢復變形等特性。從微觀角度分析,記憶合金產生這些特性的原因是其獨特的晶體結構,可分為馬氏體相和奧氏體相2種。高溫狀態下,奧氏體穩定;低溫狀態下,馬氏體穩定。

1.2.1 形狀記憶效應

記憶合金具有由溫度觸發的“形狀記憶”效應,即在較低溫度下對記憶合金施加外力產生塑性變形,然后在一定的范圍內加熱升溫,其塑性變形會消失,記憶合金將收縮或恢復到變形前的原始形狀。記憶合金的這種效應是由合金在高低溫轉變時發生的“相變化”來實現的。不同的熱力載荷條件下,即記憶合金從高溫冷卻時,其相態由奧氏體相轉變為馬氏體相,此時可對記憶合金施加任意形變;當記憶合金再次加熱升溫至相態轉變溫度以上時,記憶合金從馬氏體相轉變為奧氏體相,同時恢復原來的形狀[5]。

1.2.2 超彈性

超彈性也稱偽彈性,是指記憶合金在高溫相奧氏體狀態下受力發生較大變形,且實際變形量遠大于對應的彈性極限的變形量,在卸載應力過程中無需加熱,記憶合金便可自行恢復為原始形狀的能力[6]。記憶合金的變形恢復能力要強于大部分普通金屬材料。

1.2.3 高阻尼性能

記憶合金具有高阻尼性能,這是由記憶合金的馬氏體相變效應所致[7]。應力作用下,由于記憶合金在馬氏體相應力作用下不同界面之間相互摩擦引起位置變化,導致彈性遷移延遲,其應變相對應力的作用也被延遲,使振動能轉化為內能,宏觀表現為減震阻尼。因此,記憶合金是一種良好的減震材料。

1.3 記憶合金的分類

記憶合金按照材料可以分為50多種,目前主要應用的有3類:鎳鈦基記憶合金、銅基記憶合金和鐵基記憶合金,見表1。其中鎳鈦基記憶合金發現較早,且性能穩定,是實驗和工程應用最為普遍的合金;銅基和鐵基記憶合金成本較低,但其性能不穩定,可以在滿足特定情況的條件下使用[8-10]。

表1 記憶合金種類

根據記憶合金在溫度變化條件下所能夠發生的形變現象進行區分,可將記憶合金分為3類:單程記憶合金、雙程記憶合金和全程記憶合金,見表2[11]。

表2 記憶合金種類及其圖示

2 記憶合金在防護領域的應用

記憶合金被廣泛應用于日常生活中,以及航空航天、機械電子、汽車工業、生物醫學、防護等領域[12-22]。

2.1 防彈領域

防彈裝備是指在防彈材料的支持下,通過多層材料的組合結構,達到防彈效果的裝備,通常包含防彈外套、軟質防彈層、硬質防彈插板和裝甲板等。因此,防彈材料性能的提升對個體防護裝備的高效、舒適、輕量化具有重要意義。記憶合金具有高強、高彈和緩沖吸能的特性,不僅可以作為低速撞擊的吸能材料,而且在防彈領域上還可以作為爆炸沖擊載荷條件下的衰減和防護材料。

記憶合金用于防彈織物和防彈護具的專利。高正[23]的實用新型專利提供了一種由多個沿不同方向延伸的具有雙程記憶效應的記憶合金絲編織而成的防彈織物,通過將多個防彈層堆疊并編織為一體結構,提高防彈層的防彈性能;也可以使用記憶合金絲和凱夫拉纖維組合編織成防彈織物,使得防彈織物更加柔軟舒適;防彈護具的設計可由上述防彈織物編織成相應的護具形狀,也可將防彈織物放置于外套里,對重點部位進行防護。采用記憶合金纖維制成的防彈層除了擁有記憶合金本身的高強度、超彈性等基本特性,還會因子彈沖擊防彈層產生的熱能使記憶合金收縮變形,進而伴隨著吸能、動作偏轉等提高防彈效果的特性。

記憶合金用于裝甲板的專利。王耀奇[24]等發明提供了一種復合裝甲結構,由3部分組成,分別為陶瓷復合面板、梯度泡沫金屬夾層和背板。其中陶瓷復合面板采用鎳鈦形狀記憶合金六邊形蜂窩結構內嵌六邊形陶瓷片構成。這種結構的復合裝甲在熱壓固化過程中,記憶合金蜂窩會發生奧氏體相變,產生收縮,進而對陶瓷片形成強約束,減小陶瓷破碎過程中的擴容,可有效提升復合裝甲結構抗多發彈打擊能力。許英杰等[25]發明公開采用防彈陶瓷板、形狀記憶合金層和超高分子量聚乙烯板3 種材料制作的輕量化防彈裝甲板,解決了當下防彈裝甲板采用防彈鋼重量大、厚度較厚的問題。該方案設計的輕量化防彈裝甲板質量輕、厚度較薄、防彈能力較強,并且記憶合金層放置在防彈陶瓷板和超高分子量聚乙烯板中間,形成夾芯結構的裝甲板,可以發揮記憶合金的超彈性作用,具有較高的實用價值。

綜上所述,現有較少的專利為記憶合金應用于防彈領域提供了一定的參考價值,但缺乏有關其具體特性對于改善防彈領域防護性能的系統和實際應用的研究。

2.2 防火領域

記憶合金具備優異的性能,在保護消防員的安危方面發揮出重要的作用,被廣泛運用在防火領域。

LAH A S等[26]研究了一種新型形狀記憶的鎳鈦諾針織物,應用于消防員防護服的主動隔熱襯布。該針織物采用冷加工的鎳鈦合金單絲制成,通過15個循環的訓練過程,實現了鎳鈦諾織物的雙向形狀記憶效果。將經過訓練的鎳鈦諾織物插入由2層縫合在一起的織物制成的口袋中,制備了智能紡織品系統。當暴露在75 ℃及更高的環境溫度時,它會立即從二維形狀變為三維形狀,增加口袋中的氣隙。由這種智能紡織品系統制成的絎縫織物可用于消防員的防護服,可以局部改善隔熱性能,保護人體皮膚免受過熱或燒傷。

HE J等[27]研究了6種不同的記憶合金排列方式和2種不同的彈簧尺寸對輻射熱暴露和熱表面暴露的熱防護的影響。結果表明,記憶合金彈簧加入到熱防護織物組件中能有效提高熱防護性能,但彈簧提供的熱防護程度取決于其排列方式和彈簧尺寸。使用記憶合金彈簧加強消防員防護服的有效性取決于防護服膨脹空氣層的能力,并提出建議將記憶合金彈簧置入防護服的脆弱部位,如手臂、胸部等直接暴露并經常受到攻擊的部位。研究表明,記憶合金彈簧作為開發智能服裝的潛力材料,可以提供額外的熱防護,從而減少熱防護服的層數。

陳艷等[28]采用記憶合金彈簧形成的空氣層作為瞬時隔熱組合面料的隔熱層。通過對蚊香型和圓柱型2種形狀的鎳鈦記憶合金彈簧進行形變溫度測試,最終決定采用形變溫度為42 ℃的蚊香型鎳鈦形狀記憶合金彈簧,其形變溫度低于圓柱型,且低于損傷人體皮膚的溫度的下限。學者設計的瞬時隔熱組合面料由玄武巖織物作為耐高溫防火外層、記憶合金高溫變形的空氣層作為隔熱層、芳砜紗作為阻燃內層,經過熱防護性能測試和防護隔熱性能測試,結果表明,應用蚊香型記憶合金彈簧構成的空氣層隔熱效果明顯,并且其隔熱性能優于消防員的傳統防護服面料。

潘夢嬌等[29]通過將記憶合金絲和芳綸紗線按一定間隔編織成10種記憶合金織物,進而探究織物中記憶合金絲的間距、織物密度、芳綸紗線種類對防護服隔熱性能的影響。研究結果表明,相鄰2根記憶合金絲的間距越大,熱防護性能越差,間距為2 c m 時的熱防護性能最佳;記憶合金織物的密度越大,熱防護性能越好,設計緯密為20根/c m 時的熱防護性能佳;學者采用2種芳綸紗線編織出芳綸1414織物和芳綸1313織物,其中芳綸1414紗線的強度和隔熱性能較優,最終織造織物的熱防護性能也更優。

綜上所述,目前記憶合金在防火領域的主要應用形式是作為防護服的隔熱層,防護服在遇高溫后能形成一定的空氣間隙,減少傳遞到人體的熱量,提高防護服的熱防護性能。

2.3 其他領域

在汽車防護領域,利用記憶合金的形狀記憶效應,應用在汽車輪胎防滑裝置,即在不同路面狀況下,不同車速的摩擦熱不同,記憶合金防滑裝置也隨著溫度變化呈現不同的狀態;利用記憶合金優異的可恢復變形性,廣泛運用在汽車安全防護領域,如將記憶合金運用在汽車的擋板、保險杠等,在汽車發生交通事故造成碰撞損傷時,若碰撞能量較低,通過加熱(熱風、熱水等)即可使車體變形部分恢復原來的形狀[30]。在仿生防護領域,利用記憶合金的超彈性特性和優異的力學性能,可設計仿生防護自恢復結構,如仿甲蟲鞘翅的自恢復汽車吸能填充結構、仿貓科動物腳掌肉墊的自動回彈恢復結構等[31-32]。在減震防護領域,利用記憶合金的高阻尼特性,設計地震阻尼器,主要應用在高層建筑領域,可明顯提升建筑結構的減震性能,保護人員的安全[33]。

3 前景展望

記憶合金作為一種新型的防護材料,其優良的性能在防火領域得到廣泛應用;在防彈領域還處于發展探索階段,僅有較少的專利涉及記憶合金在防彈領域的應用。將記憶合金與防彈材料結合,發揮其獨特的性能,促進國際防彈產業的快速發展。

縱觀當代防彈領域的研究,優先采用新材料、新技術,是改進我國防彈領域發展的一條必由之路,必須重視記憶合金在防彈領域的研究和應用,可以通過以下2方面進行研究。

(1)在防彈織物方面,從纖維的種類和織物組織結構2方面進行設計。將記憶合金纖維與目前常用的芳綸II纖維、芳綸III纖維、超高分子量聚乙烯纖維按一定比例混合織造,采用雜化混合結構將不同纖維根據防彈機理進行織造,使織物在保持原有防彈性能的基礎上,增加其緩沖吸能特性,阻止穿透,減輕未完全穿透鈍傷。運用記憶合金纖維與其他纖維混合織造的織物的組織結構可以為梭織物、針織物、角連鎖織物、三維編織等。通過工藝的優化,提高防彈織物的柔性、輕量化和高能量吸收等性能,最終選出防彈性能最好的纖維混雜比例和組織結構。

(2)在復合裝甲、硬質插板等產品設計上,可利用記憶合金的超彈性和緩沖吸能特性,將記憶合金設計為蜂窩狀結構,與陶瓷片鑲嵌結合,增加對陶瓷片的包覆性和約束力;或將其作為緩沖層運用在軟質防彈層、硬質防彈插板產品上,減少其對人體的非貫穿性損傷,因此記憶合金在緩沖、吸能、減震方面具有較為廣闊的應用前景。