近日，江南大學紡織科學與工程學院/針織技術教育部工程研究中心馬丕波課題組實現了以蛇皮為靈感的鱗片織物結構防護材料的大規模制備。本工作提出的復合鱗片織物由柔軟的織物底層和相互重疊的片狀化硬質殼層鱗片共同組成，克服了輕質高強與柔軟舒適這對天然矛盾，實現了防護材料的長時間舒適性穿著，這有望為未來材料結構創新設計提供啟示，并為個人防護裝備在各個工業領域的發展提供巨大的實質性優勢。相關成果以“Large-Scale Fabrication of Snake Skin-Inspired Protective Composite Textiles”為論文標題在線發表在《Advanced Fiber Materials》期刊(IF=16.1)。江南大學針織中心2019級博士研究生劉青為論文第一作者；江南大學馬丕波教授、董智佳副教授及武漢紡織大學陳鳳翔教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金項目（52373085和11972172）、中央高校基本科研業務費專項資金項目( JUSＲP22026)、江蘇省高等學校重點學科建設項目（PAP）等項目資助。論文全文鏈接為：doi.org/10.1007/s42765-024-00396-7。
1. 文章概述
暴力或恐怖襲擊事件對民眾，尤其是對執法和安全保障人員的生命安全構成極大威脅。數據顯示，相較于槍械，利器如刀具更常見于這類事件，進而導致對有效防刺裝備需求的增長。天然皮革盔甲通常采用鱗片狀結構，這種結構為柔性曲面提供了出色的保護性能和靈活性，在開發防刺性與舒適度兼備的高性能防護材料方面具有巨大的發展潛力。基于生物鱗片的靈活性與防護性特征，實現硬質鱗片結構與柔性基材的有效集成，從而達到材料的剛柔并濟效果依舊是未能解決的研究重點。本文受蛇皮重疊結構的啟發，利用針織技術的高成形靈活性，選用綜合性能優異的超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE），編織了仿生鱗片狀針織物（SLKF）。然后，織物的鱗片部分通過短切碳纖維（CF）填充環氧樹脂（ER）共同集成，以形成類似蛇皮的軟硬統一結構，也稱為增強鱗片狀針織物（R-SLKF）。通過將硬質鱗片集成到織物結構設計中，展示了防刺性和靈活性兼具的潛力。分段鱗片的存在增加了織物的柔韌性，使其可在橫、縱向等多個方向自由扭曲，具有與織物面料相似的柔韌性（~290 mN cm），可較好的貼合人體曲面；經處理后的鱗片結構防刺材料因其獨特結構，并未對材料整體的透氣性產生較大影響，即鱗片間間隙的存在主要對透氣性產生影響，因而保留了極佳的透氣性（100 MPa，423 mm/s）；鑒于鱗片防刺材料差異化的結構表面，基體材料本身的特性及對織物氣孔的阻擋，賦予鱗片復合材料極佳的隔熱性（0.28°C/s），材料結構越松散、氣孔越大，隔熱性越差，基體材料厚度越大，阻礙作用越明顯。以上特征可保證以鱗片狀針織物柔性復合材料為基礎制備的防刺服在人體中長時間的舒適穿著。
2.
圖文導讀
圖1 R-SLKF的制備與結構特點（a）R-SLKF的靈感來源；（b）R-SLKF在個人防護領域的使用；（c）R-SLKF的防刺性、（d）柔韌性及（e）優異的隔熱性;（f）R-SLKF的制備過程;（g-h）R-SLKF的結構示意圖；（i） R-SLKF的側面結構參數
圖2 R-SLKF在不同基體靜置時間、穿刺位置和方向下的防刺性能（a-f）基體在不同靜置時間下制備的R-SLKF外觀形態；（g）R-SLKF I和（h）R-SLKF II的截面SEM圖像；（i-j）基體在不同靜置時間下制備R-SLKF的防刺性能及比峰值載荷；（k-l） R-SLKF在三個不同穿刺位置的防刺性能及峰值載荷;（m-n）R-SLKF在三個不同穿刺位置的防刺性能及峰值載荷
圖3 R-SLKF斜向穿刺、正反面穿刺及CT掃描結果（a） 斜向穿刺及刀尖處的應力分布；（b）R-SLKF斜向穿刺防刺性能及（c）在三個穿刺方向上的峰值載荷；（d） R-SLKF正面和背面穿刺時的受力情況；（e）R-SLKF正反面的穿刺情況及（f）峰值載荷；（g）R-SLKF I和（h）R-SLKF II正反面的穿刺過程；（i-k）R-SLKF I和（j-l）R-SLKF II在三個切片方向上的CT掃描結果
圖4 R-SLKF的柔韌性、透氣性和綜合特性比較（a）SLKF和R-SLKF在手掌上的彎曲角度；（b）SLKF和R-SLKF在圓形工具上的懸垂角度；（c）SLKF和R-SLKF的垂度角；（d）SLKF和R-SLKF的彎曲剛度；（e）SLKF和R-SLKF的透氣性；（f） 這項工作與先前報道的防刺材料之間的比較；（g）防刺材料的比峰值載荷；（h）與先前報道的防刺材料的綜合性能比較