Sådan fungerer Liquid Body Armor

Grundidéen bag body -rustning har ikke ændret sig særlig meget i de sidste par tusinde år. Først, rustning stopper våben eller projektiler i at nå en persons krop. Sekund, det diffunderer våbenets energi, så den endelige påvirkning forårsager mindre skade. Selvom det ikke er effektivt i enhver situation, rustning kan generelt hjælpe med at beskytte mennesker mod alvorlig skade eller død, især mod det rigtige våben.

I årenes løb, mennesker har måttet udvikle stærkere og mere avanceret rustning for at beskytte mod stadig mere sofistikerede våben. Imidlertid, på trods af disse forbedringer, moderne rustning har stadig nogle af de samme mangler som gamle former for rustning. Uanset om det er lavet af metalplader eller lag af stof, rustning er ofte tung og omfangsrig. Mange typer er stive, så de er upraktiske til brug på våben, ben og hals. Af denne grund, middelalderlige dragter af tallerkenpanser havde huller og led, så folk kunne bevæge sig rundt, og den rustning, der bruges i dag, beskytter ofte kun hovedet og overkroppen.

En af de nyeste former for kropspanser, selvom, er både fleksibel og let. Mærkeligt nok, denne forbedring kommer fra tilsætning af væske til eksisterende rustningsmaterialer. Selvom den ikke er helt klar til kamp, laboratorieforskning tyder på, at flydende rustning har potentiale til at være en god erstatning for eller supplement til større veste. Til sidst, soldater, politifolk og andre kan muligvis bruge det til at beskytte deres arme og ben.

De to primære typer flydende kropspanser, der i øjeblikket er under udvikling, starter begge med et fundament af DuPont Kevlar , almindeligt anvendt i skudsikre veste. Når en kugle eller et stykke granatsplinter rammer en Kevlar -vest, lagene af materiale spreder påvirkningen over et stort overfladeareal. Kuglen strækker også Kevlar -fibrene, bruge energi og bremse i processen. Konceptet ligner det, der sker, når en bilairbag spreder stødet og bremser bevægelsen af ​​en persons torso under en kollision.

Selvom Kevlar er et stof, Kevlar rustning bevæger sig ikke eller afdækker den måde tøj gør. Det tager mellem 20 og 40 lag Kevlar at stoppe en kugle, og denne stak af lag er relativt stiv. Det er også tungt - en vest alene vejer ofte mere end 4,5 kg, selv uden keramiske skær for ekstra beskyttelse.

To forskellige væsker, imidlertid, kan tillade Kevlar rustning at bruge langt færre lag, gør den lettere og mere fleksibel. Begge har en ting til fælles - de reagerer stærkt som reaktion på en stimulus. Næste, vi ser på, hvad disse væsker er lavet af, og hvorfor de reagerer, som de gør.

Forskydningsfortykende væske

Udtrykket "flydende kropsrustning" kan være lidt misvisende. For nogle mennesker, det tænker på tanken om at flytte væske klemt mellem to lag fast materiale. Imidlertid, begge typer væskepanser i udviklingsarbejde uden et synligt væskelag. I stedet, de bruger Kevlar, der er blevet gennemblødt i en af ​​to væsker.

Den første er en forskydningsfortykende væske (STF) , som opfører sig som et fast stof, når det støder på mekanisk belastning eller klippe . Med andre ord, den bevæger sig som en væske, indtil et objekt rammer eller agiterer det kraftigt. Derefter, det hærder på få millisekunder. Dette er det modsatte af a forskydningsfortyndende væske , som maling, som bliver tyndere, når den ophidses eller rystes.

Du kan se, hvordan forskydningsfortykende væske ser ud ved at undersøge en opløsning af næsten lige store dele majsstivelse og vand. Hvis du omrører det langsomt, stoffet bevæger sig som en væske. Men hvis du rammer det, dens overflade størkner brat. Du kan også forme den til en bold, men når du holder op med at lægge pres, bolden falder fra hinanden.

Sådan fungerer processen. Væsken er en kolloid , lavet af små partikler suspenderet i en væske. Partiklerne afviser hinanden let, så de flyder let gennem væsken uden at klumpe sig sammen eller sætte sig til bunden. Men energien ved en pludselig påvirkning overvælder de frastødende kræfter mellem partiklerne - de hænger sammen, danner masser kaldet hydroclusters . Når energien fra stødet forsvinder, partiklerne begynder at frastøde hinanden igen. Hydroclusterne falder fra hinanden, og det tilsyneladende faste stof vender tilbage til en væske.

Væsken, der bruges i kropspanser, er lavet af silica partikler suspenderet i Polyethylenglycol . Silica er en bestanddel af sand og kvarts, og polyethylenglycol er en polymer, der almindeligvis anvendes i afføringsmidler og smøremidler. Silica -partiklerne er kun få nanometer i diameter, så mange rapporter beskriver denne væske som en form for nanoteknologi.

For at lave flydende kropspanser ved hjælp af forskydningsfortykkende væske, forskere fortynder først væsken i ethanol. De mætter Kevlar med den fortyndede væske og sætter den i en ovn for at fordampe ethanolen. STF gennemsyrer derefter Kevlar, og Kevlar-strengene holder den partikelfyldte væske på plads. Når et objekt rammer eller stikker Kevlar, væsken hærder straks, gør Kevlar stærkere. Hærdningsprocessen sker på bare millisekunder, og rustningen bliver fleksibel igen bagefter.

I laboratorieundersøgelser, STF-behandlet Kevlar er lige så fleksibel som almindelig, eller pæn, Kevlar. Forskellen er, at den er stærkere, så rustning ved brug af STF kræver færre lag af materiale. Fire lag STF-behandlet Kevlar kan sprede den samme mængde energi som 14 lag pæn Kevlar. Ud over, STF-behandlede fibre strækker sig ikke så langt ved slag som almindelige fibre, hvilket betyder, at kugler ikke trænger så dybt ind i rustningen eller en persons væv nedenunder. Forskerne teoretiserer, at det skyldes, at det tager mere energi for kuglen at strække de STF-behandlede fibre.

Forskning om STF-baseret flydende rustning er i gang på U.S. Army Research Laboratory og University of Delaware. Forskere på MIT, på den anden side, undersøger en anden væske til brug i kropspanser. Vi vil se på deres forskning næste.

STF-baseret kropspanser har paralleller i science fiction-verdenen. I universet af Frank Herbert's "Dune, "en enhed kaldet en Holtzman -generator kan producere et beskyttende skjold. Kun genstande, der bevæger sig ved lave hastigheder, kan trænge ind i dette skjold. På samme måde kan genstande, der bevæger sig langsomt, vil synke gennem forskydningsfortykkende væske uden at få det til at hærde. Ved lav hastighed, eller kvasistatisk , knivprøver, en kniv kan trænge igennem både pæne Kevlar og STF-behandlede Kevlar. Imidlertid, den STF-behandlede Kevlar får lidt mindre skade, muligvis fordi væsken får fibrene til at hænge sammen.

Magnetorheologisk væske

Den anden væske, der kan forstærke Kevlar rustning er magnetorheologisk (MR) væske . MR væsker er olier der er fyldt med jern partikler. Tit, overfladeaktive stoffer omgiver partiklerne for at beskytte dem og hjælpe med at holde dem suspenderet i væsken. Typisk, jernpartiklerne udgør mellem 20 og 40 procent af væskens volumen.

Partiklerne er små, måler mellem 3 og 10 mikron. Imidlertid, de har en stærk effekt på væskens konsistens. Når den udsættes for et magnetfelt, partiklerne står i kø, fortykkelse af væsken dramatisk. Udtrykket "magnetorheologisk" stammer fra denne effekt. Reologi er en gren af ​​mekanik, der fokuserer på forholdet mellem kraft og den måde, et materiale ændrer form. Magnetismens kraft kan ændre både form og viskositet af MR -væsker.

Hærdningsprocessen tager omkring tyve tusindedele af et sekund. Effekten kan variere dramatisk afhængigt af væskens sammensætning og størrelsen, form og styrke af magnetfeltet. For eksempel, MIT -forskere startede med sfæriske jernpartikler, som kan glide forbi hinanden, selv i nærvær af magnetfeltet. Dette begrænser, hvor hårdt rustningen kan blive, så forskere studerer andre partikelformer, der kan være mere effektive.

Som med STF, du kan se, hvordan MR -væsker ser ud ved hjælp af almindelige varer. Jernfilter blandet med olie skaber en god repræsentation. Når der ikke er noget magnetfelt, væsken bevæger sig let. Men påvirkningen af ​​en magnet kan få væsken til at blive tykkere eller tage en anden form end dens beholder. Sommetider, forskellen er meget visuelt dramatisk, med væsken, der danner karakteristiske toppe, trug og andre former. Kunstnere har endda brugt magneter og MR -væsker eller lignende ferrofluids til at skabe kunstværker.

Med den rigtige kombination af tæthed, partikelform og feltstyrke, MR -væske kan skifte fra en væske til et meget tykt fast stof. Som med forskydningsfortykkende væske, denne ændring kan dramatisk øge styrken på et stykke rustning. Tricket er at aktivere væskens tilstandsændring. Da magneter, der er store nok til at påvirke en hel dragt, ville være tunge og upraktiske at bære rundt på, forskere foreslår at skabe små kredsløb, der løber gennem rustningen.

Uden strøm der strømmer gennem ledningerne, rustningen ville forblive blød og fleksibel. Men ved at vende omskifteren, elektroner ville begynde at bevæge sig gennem kredsløbene, skabe et magnetfelt i processen. Dette felt ville få rustningen til at stivne og hærde med det samme. Hvis kontakten vendes tilbage til slukket position, stoppes strømmen, og rustningen ville blive fleksibel igen.

Udover at gøre stærkere, lettere, mere fleksibel rustning, tekstiler behandlet med forskydningsfortykning og magnetorheologiske væsker kan også have andre anvendelser. For eksempel, sådanne materialer kan skabe bombetæpper, der er lette at folde og bære og stadig kan beskytte tilskuere mod eksplosion og granatsplinter. Behandlede springstøvler kan hærde ved stød eller ved aktivering, beskyttelse af faldskærmssoldaternes støvler. Fængselsbetjentes uniformer kunne gøre omfattende brug af flydende rustningsteknologi, især da våbenvagterne mest sandsynligt vil støde på, er stumpe genstande og hjemmelavede klinger.

Imidlertid, teknologierne har nogle få fordele og ulemper. Her er en oversigt:

Ingen af ​​rustningerne er helt klar til brug på slagmarken. STF-behandlet Kevlar-rustning kunne være tilgængelig inden udgangen af ​​2007 [Kilde:Business Week]. MR -væske kan kræve yderligere fem til ti års udvikling, før den konsekvent kan stoppe kugler. [Kilde:Science Central]. Tjek linkene på den næste side for at lære mere om militær teknologi, kropspanser og beslægtede emner.

MR -væsker har mange anvendelsesmuligheder udover at styrke kropspanser. Deres evne til at skifte fra væsker til halvfaste stoffer gør det næsten øjeblikkeligt nyttigt til dæmpning af stød og vibrationer i emner som:

• Bilstøddæmpere
• Vaskemaskine
• Protetiske lemmer
• Broer

Da det øjeblikkeligt og reversibelt kan ændre form, det kan også bruges til at oprette rullende Braille -displays eller rekonfigurerbare forme.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sprængsikker tøjquiz
• Sådan fungerer Future Force Warrior
• Sådan fungerer Body Armor
• Sådan fungerer eksoskeletoner
• Sådan fungerer maskingeværer
• Sådan fungerer granater
• Sådan fungerer Flintlock Guns
• Hvor kraft, Strøm, Moment- og energiarbejde
• Sådan fungerer smarte strukturer
• Sådan fungerer broer
• Hvordan fungerer skudsikkert glas?
• Hvad gør tåregas?

Flere store links

• UGA HyperPhysics
• Magnetorheologisk væske
• University of Delaware:Shear-thickening Fluid Fabric
• MIT:Hatsopoulos Microfluids Laboratory
• U.S. Army Research Laboratory

Kilder

• Baard, Erik. "Space-age Goop Morphs Between Liquid and Solid." Space.com. 9/5/2001 (26-01-2007). http://www.space.com/businesstechnology/technology/ mr_materials_010905-1.html
• "Body Armor Fit til en superhelt." Forretningsuge. 7/7/2006 (26-01-2007). http://www.businessweek.com/magazine/content/06_32/b3996068.htm
• Gladek, Eva. "Flydende rustning." ScienCentral Nyheder. 15.6.2006 (26.01.2007). http://www.sciencentral.com/articles/view.php3?type=article &article_id =218392807
• Johnson, Tonya. "Hærforskere, Ingeniører udvikler Liquid Body Armor. "Military.com. 21.4.2004 (1/26/2007). Http://www.military.com/NewsContent/0, 13319, usa3_042104.00.html
• Johnson, Tonya. "ARL -forskere og ingeniører udvikler flydende rustning baseret på nanoteknologi." Redcom Magazine. 2/2004. (1/26/2007) http://www.rdecom.army.mil/rdemagazine/200402/itl_arl_liquidarmor.html
• Lee, Y.S. et al. "Avanceret Body Armor ved hjælp af forskydningsfortykkende væsker." (1/27/2007) http://www.che.udel.edu/research_groups/wagner/website/awards_files/ ADVANCED%20BODY%20ARMOR%20UTILIZING%20SHEAR%20THICKENING%20FLUIDS-Army%20conference%202002.pdf
• HERE Corporation. "Applikationer." (1/26/2007). http://www.lord.com/tabid/3358/Default.aspx
• Kærlighed, Lonnie J. "Ferrofluid." AccessScience @ Mcgraw-Hill. Sidst ændret 27/10/2006. (27-01-2007)
• Lurie, Karen. "Øjeblikkelig rustning." ScienCentral Nyheder. 12/4/2003 (1/27/2007) http://www.sciencentral.com/articles/view.php3? article_id =218392121 &sprog =engelsk
• Markovitz, Hershel. "Reologi." AccessScience @ Mcgraw-Hill. Sidst ændret 26.8.2005. (27-01-2007)
• University of Delaware. "Shear-Thickening Fluid." (1/27/2007) http://www.ccm.udel.edu/STF/pubs1.html
• Weist, John M. "Ikke-newtonsk væske, "i AccessScience @ Mcgraw-Hill. Sidst ændret 25.8.2005. (1/27/2007)
• Wetzel, Eric D. et al. "Avanceret Body Armor ved hjælp af forskydningsfortykkende væsker." 12/3/2002. (1/26/2007). http://www.ccm.udel.edu/STF/PubLinks2/AdvancedBodyArmor_Pres.pdf
• Wetzel, Eric D. et al. "Beskyttelsesstoffer, der anvender forskydningsfortykkende væsker." 27/10/2004. (1/26/2007) http://www.ccm.udel.edu/STF/PubLinks2/ProtectiveFabrics UtilizingSTF_Pres.pdf