基于仿生设计的纺织结构防刺材料研究进展

吴秀桓，叶天宇，李凤艳

(天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387)

自1996年10月1日正式实施《枪支管理法》以来，我国对枪支的管控非常严格，但是来自匕首、刺刀等尖利锐器引起的社会不安定因素仍然无处不在[1]。据统计，仅2019年全国公安机关系统中，因公牺牲或者负伤的10 000多名公职人员中，大部分源于刀具的伤害[2]；在森林消防领域，消防员在行进和救火中极易接触到尖锐物品，对消防服及其身体造成损伤而严重影响自身安全和救火任务的实施[3]。除此之外，防刺服在其他特殊环境及日常保障人身安全方面都具有重要的作用。

目前市场上的防刺材料主要分为硬质、半硬质和柔性三大类[4]，但是硬质和半硬质防刺材料在设计和结构上缺乏灵活性和服用性，而柔性防刺材料具有良好的柔韧性和隐蔽性，既能够满足公安等特种职业的要求，又可作为日常穿着服装保护人身安全，所以柔性防刺材料成为当今研发的主流方向。柔性防刺材料所用的基础纤维原料主要有超高分子量聚乙烯纤维、对位芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维, 此外聚对苯二甲酸丁二酯纤维、蜘蛛丝、蚕丝丝胶、陶瓷纤维、碳纤维、聚酯纤维等也有所应用[5]。目前柔性防刺材料的加工工艺主要有剪切增稠液体整理、树脂浸渍整理、表面涂层整理、离散树脂整理和石墨烯强化[6]。柔性防刺材料的防刺层大都采用多层高性能织物叠加来抵抗刀具的穿刺，虽达到了防刺的效果，但是存在厚重的问题，影响防刺服的柔顺性以及穿着的舒适性[7]。

为提高防刺材料的柔性和减轻人体穿着负担，许多学者尝试从自然生物的防护系统中寻求灵感，进行防刺材料的仿生设计。生物在抵御掠食者攻击和复杂环境伤害的过程中进化出了独特的防护系统，其生物材料往往具有优化的性能和组织结构，并且生物个体的防护结构往往兼有柔韧、坚固和轻质的特点[8]。本文从仿生角度综述了纺织结构柔性防刺材料的种类及其防刺机制，并介绍了基于仿生设计的防刺材料的实现方式，期待为柔性防护装备的设计与开发提供新的研究思路。

1 仿生防刺材料种类及防刺机制

1.1 仿生鳄鱼防刺材料

1.1.1 鳄鱼鳞甲结构

为抵御捕食者攻击，鳄鱼进化出了一套有效的柔性皮肤装甲。Yang等[9]研究了鳄鱼的鳞甲结构，发现其背部拥有巨大凸起的骨板，如图1[10]所示。骨板含致密的皮质骨、原生板层和多孔松质骨，由胶原纤维连接，使得鳄鱼的皮肤具有非常好的韧性。Chen等[10]通过显微硬度测试发现，骨板的最低硬度为280 MPa，最高硬度可达470 MPa。当鳄鱼受捕食者攻击时，其骨板的轴向抗压强度为67 MPa(A方向)，而长度方向(B方向)和横向(C方向)的抗压强度分别为58、40 MPa。骨板的轴向承受了最大载荷，这与来自捕食者牙齿的最大咬合力方向一致。通过观察骨板在受压时的微观变化，确定了如图2[10]所示的主要的增韧机制：鳞片中的孔洞受压孔隙率降低，周围出现细小的裂隙；载荷继续作用，裂隙间形成胶原纤维桥，因具有一定的弹性而阻止裂隙的扩展；裂隙继续扩展，裂隙间形成矿物桥。

图1 鳄鱼骨板结构

图2 骨板的增韧机制

1.1.2 三棱锥型防刺基板

借鉴鳄鱼鳞甲模型，袁梦琦等[11]设计出了三棱锥型仿生防刺基板(见图3[12])，该防刺基板的倾斜角为22.5°，基板厚度为1 mm，三棱锥边长为10 mm，以改进钛合金为材料通过模压成型工艺进行加工。该防刺材料的各个防刺基板通过铆钉连接，并且采用了加厚弧面对防刺基板进行过渡，提高了整体防刺层弯曲程度，也能更加地贴合人体。经过刀具冲击测试，1 mm厚的防刺基板能承受24 J的冲击，满足GA 68—2008《警用防刺服》的要求。现有的硬质防刺服的质量普遍大于2 kg，该防刺基板在符合0.3 m2的防护面积之下质量只有1.35 kg，并且各基板连接处存在一定的缝隙，改善了防刺服的透气透湿性，灵活性也得到了提高。

图3 仿生鳄鱼防刺单元和防刺基板

1.2 仿生石鳖防刺材料

1.2.1 石鳖壳板结构

石鳖为海洋软体生物，其壳体主要由8块叠瓦状的壳板构成，按照位置分为头板、中间板和尾板[13]，背部壳板的周围有一圈环带(见图4[15])，环带覆盖着数百个微小、坚硬和重叠的矿化鳞片。石鳖的背部鳞片呈钩状，与大多数鱼鳞和骨皮不同的是，石鳖鳞甲的成分相对更加均匀，而且鳞片没有次级层和孔隙。石鳖背部的壳板和腹鳞之间能够相互滑动，赋予了石鳖外壳的柔韧性和灵活性，可在不平坦的表面上移动，当受到威胁时身体还可以蜷缩成球状来抵御捕食者的攻击[14]。

图4 石鳖鳞甲结构

Connors等[15]研究了石鳖在扁平状态和防御时卷曲状态下各壳板间的构象变化，如图5[15]所示，发现背部壳板的重叠率从62%降到了48%，而纵向曲率指数(壳板4的长度除以扁平状态下的纵向曲率半径)由0.4增加到了0.7。研究还发现石鳖环带上的每个鳞片都嵌套在一菱形基底上，鳞片间具有互锁机制，当石鳖受到攻击时，环带上的鳞片会因为受到外力的挤压而产生偏转，使相邻的鳞片发生勾连并聚锁在一起，从而减少鳞片之间空隙，促进了所受载荷在鳞片层上的分散。

图5 石鳖扁平和卷曲形态下的壳板

1.2.2 石鳖鳞甲防刺护膝

护膝对保护人的膝关节起着重要的作用，大致可分为硬质护膝和柔性护膝，柔性护膝主要用于医疗保健以及慢跑、骑行等轻量运动领域[16]，而硬质护膝主要应用在军事领域。护膝的设计要求具有耐冲撞、能稳定吸收能量和缓冲性能，除达到防护的要求之外还需具有良好的透气透湿性和贴合性。由于士兵执行任务的时间较长，且往往具有复杂性和危险性，所以军用护膝的设计在保证防护性能的情况下，还应提高护膝的轻便性和柔韧性并赋予护膝具有一定的防刺功能[17]。鉴于目前市场上的护膝产品难以做到兼顾柔性和防护性的问题，Connors等[14]提出了一个新的设计方案，其采用了塑料材质，通过3D打印技术制作了一款仿石鳖柔性防刺护膝。在尖锐玻璃碎片上进行测试时发现，该仿生石鳖护膝可有效防止玻璃尖刺的刺入，提高了护膝的柔韧性和防护性能，降低了护膝对膝关节活动的限制。

1.3 仿生鱼鳞防刺材料

1.3.1 鱼鳞结构分析

鱼鳞为真皮组织的衍生物，其主要成分为羟基磷灰石并呈板片状以一定的角度进行叠瓦状排列，具有一定的取向性[18]。叠瓦状硬鳞片和软组织的真皮层为鱼体提供了优良的柔韧性和防护性能，并且能根据身体不同区域的需求调整局部保护和弹性。受到攻击时，鱼鳞能发生相对滑动和一定角度的偏转造成鳞片之间叠合程度的增加，增大了穿透阻力。叠瓦状的鳞片可以将单个鳞片上所受的载荷直接传递到相邻的鳞片上，将力分散到更大的区域，并且鳞片层下的真皮层具有弹性能为鳞片所受的冲击提供一定的缓冲，减小对下层组织的损伤[19]。Zhu等[20]研究了单个鳞片的穿刺力学，通过对条纹鲈鱼进行穿刺实验，证明了鱼皮完全破坏时的载荷与鳞片层数呈线性关系，还确定了鳞片间的摩擦力对穿刺阻力的影响可以忽略不计。鱼皮有着轻质、柔韧性好的优点，这与柔性防刺服的设计要求相契合，为防刺层的设计提供了一个新的思路。

1.3.2 仿生鱼鳞防刺结构防护服

参考鲫鱼鱼鳞的形状及鳞片搭接方式，于春玲等[21]设计并改进了防刺甲片的形状和搭接结构，改进后的防刺服与传统防刺服相比，防刺服的柔性得到显著提高。Rudykh等[22]根据鱼鳞的结构设计了复合硬板/软基质材料结构，其用丙烯酸基光聚合物作为鳞片嵌入到软弹性基底材料(TangoPlus)当中，并在该材料上进行了穿刺和和弯曲测试(见图6[22])，结果表明其与无鳞片覆盖的软基底材料相比，抗穿刺性能增大了40倍而柔韧性降低不到5倍。该结构的防护性能和柔性可通过对仿生鳞片的板倾角和体积分数进行调整，在体积分数约为0.3并且倾角为10°或20°时提供了防刺性和柔性的最佳组合。仿制条纹红色鲻鱼的鳞甲系统，Funk等[19]研发了合成保护软材料，其用醋酸丁酸纤维素(CAB)制成的重叠小板来充当鱼的鳞片，并用柔性聚丙烯网来作为鱼的真皮基底，二者通过棉线进行连接。通过对该仿生结构进行弯曲测试发现，其弯曲响应机制与条纹红色鲻鱼相符合(见图7[19])，展示了其作为软质材料的保护层的潜力，但是该仿生鱼皮鳞片的硬度还无法达到目前防刺服的标准，还需进一步的改进。

图6 仿鱼鳞防刺材料穿刺和弯曲测试

图7 仿条纹红色鲻鱼鳞甲系统

1.4 仿生荷叶形防刺材料

1.4.1 荷叶结构分析

如图8(a)[23]所示，荷叶的脉状结构中，其主脉从叶子的中心以16°～20°向叶缘定向扩散，且具有高弹性、高强度和低模量的特点，其分支的主脉具有较好的柔韧性和可塑性，在受到风等外力作用时会产生一定的弯曲[23]。荷叶还具有蜂窝状六边形层级结构，且该结构从荷叶的表面到内部逐渐变小，如图8(b)[24]所示。荷叶相互平行的微管提高了荷叶的韧性，其蜂窝状分层结构提高了荷叶的稳定性并减轻其质量；荷叶的伞状叶脉对叶子起到支撑作用[24]。因此，荷叶经过不断的进化，不仅具有优异的超疏水性能，其组织结构也具有优秀的力学性能。

图8 荷叶结构

1.4.2 仿生荷叶防刺服

为改善防刺服存在的各向防刺性能不均匀和防刺基板设计不合理的问题，王学洲等[25]基于荷叶的形状设计了一款高强轻质复合防刺服，并且防刺基板的排列呈平面网状蜂窝结构，其将钛合金板加工成厚度为0.8 mm、边长为15 mm的荷叶形防刺基板，如图9[25]所示，并通过在防刺基板的表面涂抹高强度的有机涂层以增强基板的防刺性能。防刺基板和织物之间通过胶黏剂进行连接，并在防刺层下设有软质泡沫塑料减震层。荷叶形防刺基板之间连接的缝隙小于1.5 mm，缝隙的存在允许各防刺基板之间可以有一定弯曲，这显著提高了防刺服的柔软性，其边沿的弧形结构可以有效握持住刀尖，提高了防刺服的各向防刺性。防刺材料选用轻质的钛合金极大的减轻了防刺服的整体重量，而防刺基板以平面网状蜂窝结构排列也增加了防刺层整体的稳定性。

图9 荷叶形防刺基板

2 仿生设计的防刺材料制备方法

2.1 3D打印技术

3D打印技术广泛应用于建筑、航天航空和生物医疗等领域，具有快捷性和精密性，为产品的设计提供了更多的可能[26]。Johnson首先提出将3D打印激光烧结技术应用到防刺服的制作当中[27]，而后越来越多的学者将其应用到了防刺产品的研发上。如美国弗吉尼亚研究院[14]通过3D打印技术制作了防刺护膝；宫政等[28]采用3D打印激光烧结加工成形技术，设计了微蛋壳型防刺基板结构；Funk等[19]和Rudykh等[22]各自仿生鳞片的制作也是通过3D打印技术完成。3D打印虽有便利性，但也存在着打印材料的局限性和成本较高的问题[27]，而且该技术大多只适用在核心防刺部位的打印上。

2.2 激光雕刻技术

激光雕刻技术主要是利用高能量密度的激光束在材料表面发生气化效应、光化学反应以及熔蚀效应，广泛应用在陶瓷、印章的雕刻上[29]。激光雕刻具有高精密和快速成型的特点，且雕刻的形状清晰度高不易磨损[30]，这为仿生鳞片表面形状的加工提供了便利。Chintapalli等[31]从犰狳的骨皮结构中获取灵感，通过激光雕刻技术在薄玻璃板上雕刻出了六边形防刺结构，并将其放置在橡胶软基底上进行穿刺测试，结果表明该仿生六边形结构与连续的玻璃板相比防刺阻力提高了70%。Martini等[32]设计了仿生鱼鳞柔性防刺结构，其加工工艺过程如图11[32]所示。用激光雕刻机在氧化铝条刻上图案，并用氰基丙烯酸酯黏合剂与预先拉伸聚氨酯弹性条体进行黏合，在固化胶水之后，释放弹性体条以允许氧化铝鳞片彼此滑动并重叠，将鳞片转移到可弯曲的硅胶膜上，最终剥离弹性条体以产生鱼鳞状柔性防刺结构。该设计方案具有广泛的适应性，将其应用在凯夫拉防割手套上，用硅胶管来模拟人的手指在16 mJ的穿刺能量下进行了测试，手套内部的硅胶管没有任何损伤。目前的防割产品大多存在防割不防刺的问题，而在凯拉夫手套上覆盖陶瓷片这种工艺能将防割和防刺有机结合在一起，既提高了其防护性能又不缺失手套的灵活性。

图10 激光雕刻法仿鱼鳞结构制作流程

3 结论与展望

我国防刺织物的防刺类型单一，所用纤维材料成本高，开发途径缺少创新，仍以涂覆、层叠复合、加金属丝/环等传统方式为主，因此，仿生自然界中动植物的防护机制，通过3D打印、激光雕刻技术等构筑纺织结构防刺材料，为防护装备的开发开拓了新的思路。

但是也看到，目前仿生防刺基板多数仍处于孵化阶段，在各种复杂环境中实践应用的防刺效果尚待检验。而且这些防护基板的应用领域以半硬质防刺服且以局部防刺为主，舒适性仍不够，成本也是居高不下。未来可着眼于如下方面的研究提高仿生设计的纺织结构防刺材料的性能：

①继续探寻自然界中各类生物的防护结构，深入剖析其防刺机制，丰富纺织结构防刺材料的仿生设计种类。

②突破局部防刺限制，从织物表面的仿生防护结构的直接合成、防刺纤维材料和纺织结构设计创新等角度，多渠道开发基于仿生设计的纺织结构防刺材料，实现仿生防刺结构在防护服上的整体作用发挥。