遇强则强 柔性抗冲击材料如何实现“智能应变”？

　　想象一下，你正在进行极限运动，例如滑雪、攀岩或者 BMX 骑行，除了运动和自然美景带来的刺激，你还得面对身体上的疲劳和不小心撞击带来的伤害。如果有一类材料可以帮你大大降低身体受到的冲击力，减少你遭受疼痛和受伤的几率，你是否会感到兴奋呢？这类材料已经存在，被称作为柔性智能抗冲击材料。

　　“中国科学院力学研究所团队创新性提出柔性智能抗冲击材料因子这一概念，英文名叫Flexible Intelligent Anti-impact Material factor，简称FIAM因子，是一类在介观-微观尺度具备应变率增强特征，并可以通过微结构、分子和原子等不同层面与传统工程材料结合，在不改变材料初始性状的条件下，提升对外部冲击载荷的智能响应能力的功能性单位。那添加了FIAM因子的材料，我们就统称为柔性智能抗冲击材料，所以它不是特指一种材料，而是一系列材料的组合。”中国科学院力学研究所博导、正高级工程师魏延鹏在日前举行的柔性智能抗冲击防护技术媒体沙龙上介绍说。

中国科学院力学研究所博导、正高级工程师魏延鹏介绍柔性智能抗冲击材料

　　日常生活中，有一类流体，对其施加冲击力的时候，会出现较强的抵抗力，甚至会呈现出固体的性质，而当冲击力消失的时候，又恢复成流体，体现出典型的“遇强则强、遇弱则弱”的特性，这类材料被称为“剪切增稠液体”，比如淀粉糊。2018年6月，魏延鹏团队研究发现，剪切增稠液体对冲击及其后续的振动具有神奇的智能效应，具备物理滤波器的作用，能对在高速冲击下的物体或结构起到很好的保护作用。

　　“这里的智能是指针对不同的冲击，材料的响应是不同的。有点类似于滤波器，需要的频带保留，不需要的频带全部滤掉。从本质上来说，这中间发生的是一种物理的变化，也就是剪切增稠液体在承受压力的时候，材料中细微的二氧化硅颗粒会形成‘抱团取暖’的效应，从而提供比较强的抵抗力。”魏延鹏解释说。

　　此外，生活中还有一类在承受冲击时会发生化学变化的材料，被称作“剪切增稠胶材料”，有点类似橡皮泥材料，在自然状态下非常柔软，而在承受冲击情况下，能释放出非常强大的抵抗力，而且冲击力越大，抵抗力越强。2021年11月，魏延鹏团队通过刚柔并济的设计原理，首次提出将剪切增稠胶作为防弹衣的缓冲层，可以有效降低子弹冲击对诸如心脏等人体器官的伤害。

　　通过多年的研究积累，魏延鹏团队发现，能够起到剪切增稠效果的材料有很多，而发挥作用的关键因素有的在颗粒层面，有的在分子层面，有的则在原子层面。基于此，魏延鹏团队提出用FIAM来定义这一类具有智能抗冲击效果的材料。

　　“虽然这些材料拥有非常优异的抗冲击性能，但是它们自身特性却十分不稳定，很容易发生沉淀和变质，所以无法直接应用到工程材料中。”魏延鹏说。

凝胶型FIAM因子

　　为了突破这一瓶颈，魏延鹏团队经过研究，提出了FIAM因子定向赋能工艺，也就是将这些材料中具备的智能抗冲击响应的因子提取出来，然后再根据不同的冲击环境，比如子弹冲击、人体跌倒、屏幕冲击等，进行反向设计，将FIAM因子注入到传统材料中，从而形成兼具可靠性和抗冲击性能的新型防护材料。

FIAM因子与各类工程材料进行复合形成的新型柔性智能抗冲击材料

　　据悉，FIAM柔性智能抗冲击技术目前在柔性屏幕冲击防护、动力电池灌封防护、老年擦倒防护产品、运动瑜伽产品等已经实现了技术转化和产品落地。

　　“我们现在已经建立了一个FIAM因子库，有30多种，种类很多，有固体的，液体的，凝胶的，可以选出不同的FIAM因子跟现有的工程材料进行复合，从而形成最适合某个应用场景的抗冲击材料，而且我们已经在怀柔科学城建立了一个年产 30吨的中试生产能力的生产线。”魏延鹏表示，接下来将聚焦柔性智能抗冲击防护技术更深层次的机理研究。（肖春芳）