新式“盾牌”：真正的刀槍不入

沐陽

自從人類進入火槍時代，武器越來越先進，槍械、子彈日益“鋒利”，冷兵器時代的盾牌早已無法勝任保護之職，那么，新式“盾牌”又會怎樣重振保護職責？

得益于新材料

新式盾牌主要指防彈衣，像馬甲一樣穿在身上，護住人體胸腹等要害部位，基本能擋住絕大部分傷害。這完全得益于50多年前一項重大發明。

當時美國杜邦公司一位化學家——克沃勒克發明了劃時代意義的新材料。它質地很輕，又很柔韌，最重要的是它異常堅固。在同等重量情況下，它比鋼鐵還要堅固5倍。這種特性使它非常結實，能擋刀劍劈刺，還能擋子彈，足以勝任新式盾牌之冠。

它就是聚對苯二甲酰對苯二胺，實際上就是一種塑料。當然它還有個大名鼎鼎、更通俗的名字：凱夫拉爾纖維。凱夫拉爾纖維發明后，被廣泛應用于防彈背心、士兵頭盔等各種軍事裝備上，而且還用在了國際空間站的防護層上。

凱夫拉爾纖維是一種高分子聚合物，成就它的正是其獨特的分子結構。一般的聚合物分子鏈是隨機排列，好比一團繩子很容易被拉開。而凱夫拉爾纖維的則是有序排列，好比一團繩子理順了，根根排列在一起，能產生很大的強度，不會輕易斷裂。

強力攔阻

這種特性，使凱夫拉爾纖維堅固而輕盈，成為制作防彈衣的最佳材料。首先，要對纖維進行紡紗，像織布那樣把它織成紗線以及紡織品。接著，對多層紡織品進行樹脂熱壓，從而制成擋子彈的復合材料。如果想提高擋子彈的威力，就要用更好的紗線織成更緊湊、更致密的紡織品。

當子彈擊中復合材料時，會帶來強大的沖擊力，它必須破除一重又一重攔阻，才能最終射入目標。首先就是復合材料各層開始分離，接著最表面一層紡織品的纖維斷裂，然后是下一層的斷裂……這些都會大量消耗子彈的沖擊力，使其不斷減速，直到完全停止。

另外，考慮到高速穿甲彈，還要把碳化硅或氧化鋁制成的硬質陶瓷板塞入防彈背心里，遮擋重要器官。凱夫拉爾纖維減緩沖擊力的同時，陶瓷板可以阻擋彈頭的穿刺力。當然，由于陶瓷材料過于沉重僵硬，不可能用來擋整個身體。

第三硬的黑鉆石

50多年來，由凱夫拉爾纖維制成的防彈衣，無論在戰場上，還是打擊犯罪方面，都立下了卓越功勛。當槍械和子彈隨技術日益進步時，防彈衣也在不斷進步，科學家一直在尋找凱夫拉爾纖維的升級品。

首先映入眼簾的就是黑鉆石，又稱黑金剛石、碳化硼，其硬度在地球上可排第三，僅次于金剛石和氮化硼。黑鉆石密度是2.52克/立方厘米，相比之下，鋼是7.8克/立方厘米，凱夫拉爾纖維是1.44克/立方厘米。因此它很可能是未來阻擋穿甲彈的陶瓷材料。

然而目前困難在于，黑鉆石價格居高不下，其開采制造成本太高。但是英國伯明翰大學科學家研發的技術，可以降低成本。傳統方法是先把黑鉆石原材料加熱到2500℃，再花數星期來打磨，制成鑄塊（2.5x1.5米大小），最后磨成粉末。伯明翰大學研發了一種特殊溶液，加熱溫度不超過1500℃，就能把原材料溶解在溶液里得到一種新材料，再進行加熱就會產生所需要的粉末。

這種工藝溫度要求低，大大降低了生產成本。目前已分別得到美國和英國軍方的資助，用于研發其在彈道材料上的應用。

源自帽貝的針鐵礦

人類很多科技都師從大自然，防彈衣也不例外。英國樸茨茅斯大學的研究人員在帽貝身上發現了一種極其堅固的材料——針鐵礦（針鐵石、烏鋼石）。

帽貝是一種海產貝類，多附著在海邊巖石上生活。它有細小牙齒，用來刮擦巖石表面，獲取上面的海藻為食。有時刮擦還會產生刺耳的響聲，正是由于牙齒里含有針鐵礦而異常堅固。針鐵礦的纖維結構，剛好也適合制作既柔韌又堅固的防彈衣。

源自螳螂蝦的羥基磷灰石晶體

還有孔雀螳螂蝦，它那強有力的錘狀爪引起了科學家的興趣。狩獵時，它會把爪子以極高的速度砸向獵物，相當于5.6毫米口徑子彈射出的速度。高速度帶來巨大的撞擊力，獵物會遭到毀滅性打擊。根據力的作用原理，它的爪子也要承受同樣的撞擊力，但卻安然無恙。

這主要是因為爪子由一種極其堅硬的材料生成，堅硬程度類似于碳化硅（金剛砂）。爪子前面有一片沖擊區域，由精確排列的羥基磷灰石晶體生成。沖擊區后面是一層層的螺旋，起到了很好的減震作用。每一層螺旋都與相鄰的下一層形成稍微不同的夾角，這種螺旋結構可以防止裂痕的擴展。

它最大的優點，就是可以在常溫（或室溫、海水溫度）下生成，不需要像傳統工業生產那樣煅燒至高溫才能反應。這項研究已得到美國國防部的大力資助。

如火如荼的研究

除此之外，還有許多關于防彈衣新型材料的研究，很多都是基于大自然的產物，比如蜘蛛絲、石墨烯、納米纖維素，甚至還有盲鰻（一種海洋生物）產生的軟膠粘液。

其中，超高分子聚乙烯最受關注，它類似于塑料袋中的聚合物，但又有不同。塑料袋中的聚合物是以雜亂方式排列的，但超高分子聚乙烯的則是排列整齊的，因為它的纖維從凝膠中紡成，再拉伸對齊。用這種方式制造的纖維材料，在同等重量情況下，強度是鋼強度的8～15倍。但是，它還有一個需克服的缺點，即在130℃以上溫度時很容易破裂。英國帝國理工學院有一間專門研究防彈衣的實驗室，對超高分子聚乙烯的研究已取得一定成果。

這些研究在美國和英國軍方的資助下，正如火如荼地進行著，其顯著的特點是，它建立了各種彈道材料的計算機模型，是在原子水平上建立的，包括各種聚合物、金屬、陶瓷等。

原子水平上的研究

以往研究都是基于實驗數據，憑著子彈射在不同材料上引起的變化而研究。但原子水平上的研究，則是基于原子水平的信息，建立模型來模擬防彈背心的性能，從而在原子水平上開發出新材料。

目前，在計算方程上已取得了重大突破，這提高了模擬運算的速度和準確率。因為它是為聚合物中單個原子相互作用而設計的，可以實現模擬上百萬原子相互作用的功能。在此之前，只能實現大約1000個原子相互作用。事實也證明，這些模擬運算與量子力學計算的數據比實驗數據更精確。

美國軍方的聚合物加工廠已于2015年啟動，未來的防彈衣必會大放異彩。從生命的意義上講，盾對矛的反擊會始終處于上風。