合成生物装甲与仿生柔性装甲的结合

英国国防科学技术实验室的合成生物装甲项目已达到三级技术成熟度，相关样品已能够经受硬度试验，现正在进行工艺放大以生产可经受实弹射击试验的A4或A3纸张大小的样品。

该研究是利用合成生物技术与方法改进装甲的陶瓷微结构。陶瓷装甲由碳化硅或碳化硼制成，后者造价更加高昂，但在同样性能下重量较轻。尽管碳化硅更为便宜，但陶瓷装甲成本总体偏高。此外，制备碳化硅并将其转化成陶瓷是一项基础性工作，通常靠手工完成，这意味着最终产品的不稳定性很高。为确保产品的防护水平引入了“容差系数”，但这导致重量大大增加。

将合成生物技术用于陶瓷装甲，不仅希望以高性价比方式提高陶瓷装甲品质，还希望通过增加微结构及提高可获得性来提升其性能。

英国国防科学技术实验室研制了一种可从农业废弃物材料中提取粉末碳化硅的技术，其技术优势在于加工更简易、能耗更低、成本更低，同时粉末形式的碳化硅更加均匀，产品质量更加稳定。但是从农业垃圾中制备碳化硅，存在一些可能会弱化装甲的污染物，而合成生物技术就是用来去除这些杂质的。最终得到的产品比传统碳化硅便宜得多，且拥有相似水平的弹道防护能力。

由于硬质材料通常是刚性的，兼具柔性和抗穿刺性的防护系统很难实现。2017年，加拿大麦吉尔大学研究人员受鱼鳞等天然护甲启发，通过将硬质装甲片材与较软的衬底相结合，克服了上述设计的冲突。

人造分段装甲有较长的研究历史，但在现代防护系统中的系统性应用受到对优化设计和机制的理解的限制，而且面临低成本制造的挑战。该研究利用基于层叠陶瓷片的柔性仿生装甲解决了上述限制。制造工艺结合激光刻蚀和拉伸-释放法，可以精细调节陶瓷片的尺寸和层叠，并适合大规模制造，与均质陶瓷片的连续层相比，仿鱼鳞的装甲更具有柔性，也更具抗刺和抗损伤性能。这种柔性装甲的抗穿刺性是柔性弹性体的约10倍，是传统防护装备非常具有吸引力的替代材料。

在实验室制备仿生柔性装甲选用高纯度氧化铝陶瓷片，柔性衬底采用软硅橡胶。制备过程包括：

（1）选用氧化铝长条，利用激光刻蚀在长条上刻蚀多条平行沟槽；(www.xing528.com)

（2）将刻好的氧化铝长片粘在拉伸的聚氨酯条上；

（3）粘贴采用氰基丙烯酸盐黏合剂，使长片黏附后完全固化10 min；

（4）在局部区域施加小的曲应力使氧化铝装甲片沿激光刻蚀沟槽断裂分离，缓慢释放聚氨酯条的拉伸应变，刚性装甲片逐渐重叠，形成类似鱼鳞的样式；

（5）将装甲片转移到柔性硅橡胶衬底薄膜上；

（6）将聚氨酯长条剥落，形成最终的鱼鳞状装甲材料。

该拉伸-释放方法较容易实现，能够制造覆盖硬质陶瓷片的鱼鳞状柔性材料。对材料的穿刺和弯曲测试结果表明，制备的鱼鳞状装甲材料抗穿刺性能比硅橡胶、连续氧化铝，以及这两种材料的混合都好。研究发现，如果可以阻止装甲片的倾斜，那么高重叠的更小尺寸装甲片抗穿刺性和柔性最佳。装甲片的倾斜是软质基体上黏附硬质片材结构的非常有害的失效模式。不过，装甲片的稳定性可以通过增加装甲片表面的摩擦系数，或改变装甲片的构型、排列而改善。对装甲片的局部损坏试验表明，在单片失效后防护层仍能保持相同的抗穿刺性。对损坏的装甲片进行实验表明，制备的材料保持抗多次穿刺或打击能力。

该研究为未来仿生陶瓷基柔性装甲的设计、优化、制造奠定了基础。一旦完成合适设计，这种系统将引领柔性和抗侵彻性相结合在多种防护中应用。虽然该研究在柔性硅橡胶衬底上选用了矩形氧化铝装甲片，但如果选用合适的黏合剂，该技术可以推广到其他厚度或构型的材料上。例如，可以将玻璃装甲片黏结到棉纤织物上，形成透明防护层，也可以将氧化铝装甲片与碳纤维毡片结合，制备变形结构使用的抗穿透材料。总之，这种设计可以覆盖大而复杂的表面，使材料在两个方向上有相对大的弯曲变形。