近期，江南大学纺织科学与工程学院/针织技术教育部工程研究中心研究团队实现了以蛇皮为灵感的鳞片织物结构防护材料的大规模制备。本工作提出的复合鳞片织物由柔软的织物底层和相互重叠的片状化硬质壳层鳞片共同组成，克服了轻质高强与柔软舒适这对天然矛盾，实现了防护材料的长时间舒适性穿着，这有望为未来材料结构创新设计提供启示，并为个人防护装备在各个工业领域的发展提供巨大的实质性优势。相关成果以“Large-Scale Fabrication of Snake Skin-Inspired Protective Composite Textiles”为论文标题在线发表在《Advanced Fiber Materials》期刊(IF=16.1)。江南大学针织中心2019级博士研究生刘青为论文第一作者；江南大学蒋高明教授团队马丕波教授、董智佳副教授及武汉纺织大学陈凤翔教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目（52373085和11972172）、中央高校基本科研业务费专项资金项目( JUSＲP22026)、江苏省高等学校重点学科建设项目（PAP）等项目资助。论文全文链接为：doi.org/10.1007/s42765-024-00396-7。
1. 文章概述
暴力或恐怖袭击事件对民众，尤其是对执法和安全保障人员的生命安全构成极大威胁。数据显示，相较于枪械，利器如刀具更常见于这类事件，进而导致对有效防刺装备需求的增长。天然皮革盔甲通常采用鳞片状结构，这种结构为柔性曲面提供了出色的保护性能和灵活性，在开发防刺性与舒适度兼备的高性能防护材料方面具有巨大的发展潜力。基于生物鳞片的灵活性与防护性特征，实现硬质鳞片结构与柔性基材的有效集成，从而达到材料的刚柔并济效果依旧是未能解决的研究重点。本文受蛇皮重叠结构的启发，利用针织技术的高成形灵活性，选用综合性能优异的超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE），编织了仿生鳞片状针织物（SLKF）。然后，织物的鳞片部分通过短切碳纤维（CF）填充环氧树脂（ER）共同集成，以形成类似蛇皮的软硬统一结构，也称为增强鳞片状针织物（R-SLKF）。通过将硬质鳞片集成到织物结构设计中，展示了防刺性和灵活性兼具的潜力。分段鳞片的存在增加了织物的柔韧性，使其可在横、纵向等多个方向自由扭曲，具有与织物面料相似的柔韧性（~290 mN cm），可较好的贴合人体曲面；经处理后的鳞片结构防刺材料因其独特结构，并未对材料整体的透气性产生较大影响，即鳞片间间隙的存在主要对透气性产生影响，因而保留了极佳的透气性（100 MPa，423 mm/s）；鉴于鳞片防刺材料差异化的结构表面，基体材料本身的特性及对织物气孔的阻挡，赋予鳞片复合材料极佳的隔热性（0.28°C/s），材料结构越松散、气孔越大，隔热性越差，基体材料厚度越大，阻碍作用越明显。以上特征可保证以鳞片状针织物柔性复合材料为基础制备的防刺服在人体中长时间的舒适穿着。
2. 图文导读
图1 R-SLKF的制备与结构特点（a）R-SLKF的灵感来源；（b）R-SLKF在个人防护领域的使用；（c）R-SLKF的防刺性、（d）柔韧性及（e）优异的隔热性;（f）R-SLKF的制备过程;（g-h）R-SLKF的结构示意图；（i） R-SLKF的侧面结构参数
图2 R-SLKF在不同基体静置时间、穿刺位置和方向下的防刺性能（a-f）基体在不同静置时间下制备的R-SLKF外观形态；（g）R-SLKF I和（h）R-SLKF II的截面SEM图像；（i-j）基体在不同静置时间下制备R-SLKF的防刺性能及比峰值载荷；（k-l） R-SLKF在三个不同穿刺位置的防刺性能及峰值载荷;（m-n）R-SLKF在三个不同穿刺位置的防刺性能及峰值载荷
图3 R-SLKF斜向穿刺、正反面穿刺及CT扫描结果（a） 斜向穿刺及刀尖处的应力分布；（b）R-SLKF斜向穿刺防刺性能及（c）在三个穿刺方向上的峰值载荷；（d） R-SLKF正面和背面穿刺时的受力情况；（e）R-SLKF正反面的穿刺情况及（f）峰值载荷；（g）R-SLKF I和（h）R-SLKF II正反面的穿刺过程；（i-k）R-SLKF I和（j-l）R-SLKF II在三个切片方向上的CT扫描结果
图4 R-SLKF的柔韧性、透气性和综合特性比较（a）SLKF和R-SLKF在手掌上的弯曲角度；（b）SLKF和R-SLKF在圆形工具上的悬垂角度；（c）SLKF和R-SLKF的垂度角；（d）SLKF和R-SLKF的弯曲刚度；（e）SLKF和R-SLKF的透气性；（f） 这项工作与先前报道的防刺材料之间的比较；（g）防刺材料的比峰值载荷；（h）与先前报道的防刺材料的综合性能比较
图5 SLKF和R-SLKF的热学性能（a）SLKF和R-SLKF的温升速率；（b）SLKF和R-SLKF表面的平均温度，及（c）在不同加热温度下正面和背面的温度；（d） SLKF和R-SLKF在不同加热温度下的红外图片；（e-g）SLKF和R-SLKF在60℃下的三维红外图片
3.作者介绍
刘青，2019级博士研究生。主要研究方向为针织结构材料。
导师：马丕波教授，主要从事产业用纺织品开发和性能研究、纺织结构柔性材料设计与性能、智能纺织材料设计与开发等方面研究。
