木兰新盔甲！柔韧与防护兼具！

近期，江南大学纺织科学与工程学院/针织技术教育部工程研究中心研究团队实现了以蛇皮为灵感的鳞片织物结构防护材料的大规模制备。研究提出的复合鳞片织物由柔软的织物底层和相互重叠的片状化硬质壳层鳞片共同组成，克服了轻质高强与柔软舒适这对天然矛盾，实现了防护材料的长时间舒适性穿着，这有望为未来材料结构创新设计提供启示，并为个人防护装备在各个工业领域的发展提供巨大的实质性优势。

相关成果阐述了利用仿生学原理制备了柔性鳞片结构织物及其复合材料并阐述其在抵御锋利刀具穿刺时的防护机制。封面创意取自中国民间故事“木兰从军”。木兰身披新型轻质、柔性、防护性兼备的鳞片状针织物柔性复合材料所制成盔甲，在战场上无惧明刀暗箭，所向披靡。该封面图融合了仿生设计原则、结构工艺设计与功能性提升三个层面，直观地揭示了如何通过仿生学原理及新型技术手段提高织物的防刺效果，展现了双层鳞片在穿刺过程中抵抗穿刺力的作用及柔性复合鳞片的应变强化行为，明确了仿生鳞片结构复合材料的防刺机理，体现了该类新型鳞片结构织物在防刺技术领域中的重要性与广泛的应用潜力，同时为解决现有防刺服装中存在的多层堆叠和柔韧性不足的挑战提供了可行性方案。通过该封面，寓传统文化和中国风元素于科学论文中，实现科学、艺术、传统文化的交叉融合，彰显“文化自信”。

暴力或恐怖袭击事件对民众，尤其是对执法和安全保障人员的生命安全构成极大威胁。数据显示，相较于枪械，利器如刀具更常见于这类事件，进而导致对有效防刺装备需求的增长。

天然皮革盔甲通常采用鳞片状结构，这种结构为柔性曲面提供了出色的保护性能和灵活性，在开发防刺性与舒适度兼备的高性能防护材料方面具有巨大的发展潜力。基于生物鳞片的灵活性与防护性特征，实现硬质鳞片结构与柔性基材的有效集成，从而达到材料的刚柔并济效果依旧是未能解决的研究重点。

本文受蛇皮重叠结构的启发，利用针织技术的高成形灵活性，选用综合性能优异的超高分子量聚乙烯纤维，编织了仿生鳞片状针织物（SLKF）。然后，织物的鳞片部分通过短切碳纤维填充环氧树脂共同集成，以形成类似蛇皮的软硬统一结构，也称为增强鳞片状针织物（R-SLKF），这种结构赋予材料极佳的防刺性能。

图1 R-SLKF的制备与结构特点

图2 R-SLKF在不同基体静置时间、穿刺位置和方向下的防刺性能

图3 R-SLKF斜向穿刺、正反面穿刺及CT扫描结果

通过将硬质鳞片集成到织物结构设计中，展示了防刺性和灵活性兼具的潜力。分段鳞片的存在增加了织物的柔韧性（~290 mN cm），使其可在横、纵向等多个方向自由扭曲，可较好的贴合人体曲面；经处理后的鳞片结构防刺材料因其独特结构，并未对材料整体的透气性产生较大影响，因而保留了极佳的透气性（100 MPa，423 mm/s）；鉴于鳞片防刺材料差异化的结构表面，基体材料本身的特性及对织物气孔的阻挡，赋予鳞片复合材料极佳的隔热性（0.28°C/s），材料结构越松散、气孔越大，隔热性越差，基体材料厚度越大，阻碍作用越明显。以上特征可保证以鳞片状针织物柔性复合材料为基础制备的防刺服在人体中长时间的舒适穿着。

图4 R-SLKF的柔韧性、透气性和综合特性比较

图5 SLKF和R-SLKF的热学性能

依据纤维性质和纱线结构建立了纱线尺度等价模型，在纱线尺寸及形态基础上构建线圈结构模型，组建小尺寸单胞模型并进一步扩展为三维织物仿生鳞片结构，结合树脂基体的模型组装，构建仿生鳞片复合结构，在细观结构层次上研究了该仿生鳞片结构在不同边界约束条件下的穿刺行为。

图6 鳞片排列结构及有限元分析结果

这种鳞片状针织物柔性复合材料具有柔软、防刺、舒适等综合性能，可通过简单、大规模的工业化生产，直接用于开发多功能、高性能的服装，或可用作军队、警察和安全人员及登山、沙漠活动和跳伞等运动的特殊功能防护装备等多种应用场景。

相关成果以“Large-Scale Fabrication of Snake Skin-Inspired Protective Composite Textiles”为论文标题在线发表在《Advanced Fiber Materials》期刊。江南大学针织中心2019级博士研究生刘青为论文第一作者；江南大学蒋高明教授团队马丕波教授、董智佳副教授及武汉纺织大学陈凤翔教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目（52373085和11972172）、中央高校基本科研业务费专项资金项目( JUSＲP22026)、江苏省高等学校重点学科建设项目（PAP）等项目资助。

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稿件来源：纺织科学与工程学院

本期编辑：时丹婷

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