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代号D30材料的前世今生:这个材料有点“倔”吃软不吃硬
发布日期:2018-03-28  来源:科普中国-科普融合创作与传播

  出品:科普中国

  制作:科了个普 林风

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  大伙儿知道这是什么东东吗?一个颜值高点的橡皮泥?NO!NO!NO!它可是近期材料市场上的新贵:D3O。别看它这时一副软趴趴、任人蹂躏的样子,要是 “发起飙来”,可是硬气十足呢!不信?翻翻家里的运动护具,到处都能捕捉到它的身影。

  这个集酷炫的外表与能屈能伸、刚柔并济的黑科技性能于一身的家伙,一看就知道是个很年轻的材料。到底有多年轻,也不过上下五(骗)千(你)年(的)啦。哈哈,怎么可能,它可是个标准的00后呢,从诞生至今不过13年。虽然年纪小,履历表可是一点都不短。接下来,让我们一起来看它的前世今生吧!

  D3O的诞生

  说起它的诞生,可是充满了传奇。1971年,美国科幻小说作家戴维·杰诺德和拉里·尼文合著的《飞行术士》中曾描述了一个在当时看来不可能实现的东西:“一件既能像普通布料一样柔软,又能像盔甲一样坚硬的衣服。” 英国科学家理查德·帕尔默,在一次滑雪事故中受伤后,痛定思痛,萌生了发明这种能够有效保护人体材质的想法。(果然科学家的脑回路和普通人不一样!)

  于是,1999年帕尔默启动了相关的研究。功夫不负有心人,在2005年,帕尔默带领他的研究小组找到了这种材料,并以发明它的实验室命名——D3O。这种材料减振性能高,可用于制造防碰撞保护产品。该材料自问世以来就只有亮橙色这一种颜色,正如我们在文章开头看到的,其外形很像儿童喜爱玩的弹性橡皮泥。

  D3O的原理及测试

  D3O是一种工程定向设计的材料, 确切的分子结构还属于商业秘密。根据研究人员的介绍,这是一种由黏性流体 (viscose fluid)和聚合物 (polymer)所合成的材料,具有“应变速率敏感性” (strain rate sensitivity) 的特殊性能。

  在正常情况下,材料中的分子间只有很弱的连接力,并且可以自由运动,所以材料柔软、可弯曲;当突然受到外力的冲击而变形时,就会引起材料中分子间的连接力增强,可自由运动的分子立即被冻结,使材料变得非常坚硬,吸收冲击能量,成为具有保护性的盾牌,冲击结束后,材料又恢复到原有的柔软状态,这一过程是瞬时可逆的。

  研究人员认为,在实验室进行的测试中, D3O具有与绝大部分常用的保护材料一样的功能,并且在材料厚度相同时,具有更强的吸收能量的能力,起到更好的保护作用。但是,很难精确地测量它的抗冲击性能,因为材料硬化的持续时间与发生冲击的持续时间是极短暂的。

  有厂商将D3O材料带到了在美国拉斯维加斯举行的2013消费者电子品展上。参展期间,一位来自英国Tech 21公司的参展人员拿D3O做了一次试验:他先将D3O随意揉成形状并覆盖在自己的手指表面,然后用木槌猛烈敲打被覆盖D3O的手指,结果试验者的手指没有感到任何的不适。

  有了它,你也能表演胸口碎大石啦!

  D3O的优越性

  这种神奇的材料与以往粗大而坚硬的保护材料相比,具有极大的优越性。材料的使用和加工都非常方便,可根据应用对象的要求,将液体状态的D3O材料倒入相应的模具,就可以生产出所需要的形状。

  一种是网格状的薄片结构(见下图1), 具有较好的舒适性和透气性,可用于需要较高的可弯曲性和中等程度冲击保护作用的场合,如脚部、身体和头部;另一种是塑变结构 (见下图2),用于各个重点保护部位,如膝、肘、肩和臀等部位(见下图3)。结合计算机技术,可根据人体不同部位的自然曲线,将各个部分设计为具有最大的接触面积,从而提供更好的保护作用。

  D3O的实际应用

  (一)运动护具

  使用它制成的护具相比于传统的来说轻巧许多,而且与防护部位贴合感很好又不影响人体运动。因此,D3O被广泛应用于运动护具中,目前市场上许多运动品牌都运用了这一材料。

  上某宝搜索D3O就会看到一堆的护膝、护腕、头盔、运动鞋、防护型运动装、护腿板、摩托车甚至芭蕾舞鞋等。哪怕你每天走路平地摔,都能给你全方位的防护。总之是哪里会遭遇强烈撞击,哪里就有保护。

D3O防护产品(图片来源于网络)

  在2006年都灵冬季奥运会上,美国和加拿大等国的高山滑雪选手就穿着这种采用了D3O材料的神奇滑雪服。包括滑雪所需的高柔韧度护膝和软帽。

  所谓能者多劳,如此百变的材料,它的应用不仅仅于此。

  (二)军队武装

  由于它是一种能将自由活动与碰撞打击保护结合在一起的很理想的材料,也被称为"软铠甲"。既然称之为铠甲,那么对于每日处于高危的军人就尤为重要。新型防护设备选用D3O(黄色)做内胆,外面覆盖一层聚氨酯(TPU,灰色)。在受到外界冲击力后,TPU能将这种应力分散至整个材料,随后D3O变硬,吸收应力,从而起到保护作用。2009年,一家公司与英国国防部签订了10万英镑的合约,研制适用于阿富汗前线英军士兵的减震胶头盔。

  (三)电子产品的保护壳

  说些我们日常能用上的吧!如果你户外运动怕雾霾,不骑摩托车,没钱玩滑雪,那么可能最能用上D3O材料的就是手机壳了(当然还有一些电子设备的护甲)。

  作为还挣扎在贫民窟的小青年,有时自己摔了拍拍灰尘就站起来了,让我们最心疼的是东西摔了。而我们最容易摔的东西,莫过于各类电子产品。其中,我们每天拿在手里的手机常常一不小心会摔到地上,轻则磕碰掉漆,重则碎屏分尸。手机换屏的价格往往都不便宜,身边很多小伙伴用着雪花屏的手机,不舍得换。

  那么,爱摔东西的小伙伴们的福音来啦!有了D3O材料制成的手机壳,在手机受到强烈撞击时,D3O材料会像之前保护你身体一样,给予你的手机完美保护。再也不用担心修手机时的那种割肉的疼啦! 

  (四)其他用途

  此外,D3O材料还被运用到了汽车领域、建筑领域、医疗领域等,如汽车碰撞防护、防护贴片、吸能盒、保险杠、建筑桥梁、公路铁路、牙套等。

    中国版D3O——P4U

  如此百用的材料,中国市场也有强烈的需求。但是,前期中国企业从国外采购D3O时遇到不少阻力。我大中国遇到这种状况,采取了一如既往的方法:自己造!

  深圳市某公司开发出了一种类似D3O的新型智能材料——P4U,它拥有国家发明专利,受国家知识产权保护,是我国科学家自主研发的新型材料,发明者为西安理工大学材料科学与工程学院副教授、前南非MINTEK国家研究院高级科学家、博士后李峰博士。

  P4U取名于“Protection For You”,为你保护的意思,侧重于各种冲击防护:防撞、防摔、减震、吸能、缓冲。颜色为代表中国的红色。

  P4U与D3O一样都是基于剪切增稠原理的一种非牛顿流体。P4U的成功研发填补了国内相关产品的市场空白,打破了国外化工巨头对我国设置的技术壁垒,颠覆了人们对于防护产品的认识。

  P4U的适用性更强,具有更强的耐候性,既能采取封装的形式使用,也能通过模具加工成固定的形状,所以适用面非常广,它的用途除了个人防护之外,还包括汽车碰撞防护、新能源汽车电池保护、建筑桥梁速度锁定器、阻尼器、机器人仿生肌肉等。

  参考文献:

  https://www.d3o.com https://www.d3o.com/

  苏尔智能P4U材料:中国人的D3O来了

  https://voice.hupu.com/other/2094133.html

  https://baike.so.com/doc/6837735-7054983.html

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