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柔性抗冲击保护设备，尤其是防弹衣中的抗钝器冲击型设备越来越受到军队、警察、其他公共安全部门和民用市场的广泛需求。其中对防弹衣的设计要求轻、软，尽量减少刚性部件，要穿着尽可能舒适。为此，Dawid Pacek（第一作者&通讯作者）及其团队在《Composite Structures》上发表了题为“The Composite Structure For Human Body Impact Protection”的文章。为了在最大范围的冲击能量和负载条件下提供保护，文中采用了分层结构，引入非牛顿流体，以达到既能有效地保护骑手，又能作为骑手盾牌的效果。

经常参加体育活动对健康有明显的好处，然而每年全世界约有7500万人因运动而受伤。其中，最容易受伤和后果最严重的运动之一就是马术运动。爱尔兰国家脊柱损伤机构证实在十年期间，马术活动是导致40%以上患者脊柱损伤的原因。为了保护骑手，使用特殊防护服可以避免骑手从马或者车辆上坠落下引起碰撞或者被马踢、踩或压伤。目前，绝大多数的抗冲击保护层是软的聚氨酯泡沫，可以更好地适应身体，达到自由移动和好的舒适度的效果。图1给出了各种形状的泡沫块组成的抗冲击罩。

图1　由各种形状的泡沫块组成的抗冲击罩:a空中飞人行；b方形；c三角形

如图2和图3所示，来自意大利Zandona公司给出了更复杂的用于马术运动的Shield Evo Equitation和ESATECH ARMOUR PRO型保护设备。

图2　Shield Jacket Evo型保护设备:a保护背心；b保护原理

图3　ESATECH ARMOUR PRO型保护设备:a侧视图；b正面视图；c保护器结构

另一种由HELITE开发的，为骑手设计的装有安全气囊的背心如图4所示，该背心也被用于摩托车运动、雪地摩托和滑雪等。这种背心可以保护身体最敏感的部位免受伤害，比如脊柱、胸部和颈部等，从而降低损伤风险。

图4　空气型保护外套:a未充气的背心；b充气背心的侧面图；c充气背心的侧面图背面图；d装有CO2的设备。

文中使用XRD™ B-guard保护插入物作为冲击防护装甲设计的参考元素，如图5所示，以用于保护背部和脊柱。该外壳由高强度聚氨酯泡沫Poron®XRD™制成，在高应变率下，材料-瞬时吸收高达冲击能量的90%。由于在早期的工作中认识到了非牛顿流体的潜力，因此决定在此基础上设计防钝力冲击保护器。

文章对三种材料进行了试验，第一种为KM的材料，是一种粘弹性流体，它是由甲基、苯基、硼硅氧烷聚合物的均相组成，并添加填料和润滑介质。这种材料在静态条件下表现得像塑料物质，但在动态条件下，具有很高的弹性模量、存储和耗散机械能的能力等；第二种材料为STFB，是剪切增稠流体，属于流变非牛顿流体一类。其特征是粘度随剪切速率的增加而增加；第三种材料ZB通常用于各种运动护具，它是在高分子聚合物液体的基础上制造的，具有高粘度和高弹性，并添加了适当的流变性剂和其他填料。

图5　XRD™ B-guard保护插入物:a背心插入保护位置；b插入结构；从背面相邻的侧面观察到的插入件形貌。

此外，介绍了KM和ZB材料的流变试验，其中在板-板结构中进行了两种试验。图6给出来本研究采用的试验装置。

图6　冲击试验

在测试过程中，棒状冲击器的长度为160±2mm，顶部宽度为50±1mm，端面为圆形，半径R为12.5±0.1 mm，质量为5000±50 g。使用该冲击器在样品中心部分冲击8次，如图7所示。

图7　基于PN-EN 1621-2中描述的计量确认方法进行的跌落试验

根据文献[2]，冲击时动能为Ei =5 0±1.5 j，传递力为10.13 kN，在计量确认方法 规定的(10.5±1 kN)要求范围内，8次试验结果如图8所示。

图8　NR-BR橡胶跌落试验结果(基于PN-EN1621-2的计量确认方法)

从结果可以看出，对于传力、冲击器加速度和位移三个指标，它们的最大值和变化过程是非常相似的。对于这三个结果指标，最大值的变异系数(标准差与算术平均值的比值)均小于2%（如图9所示）。

图9　XRD™B-Guard样品在用80mm扁平冲击器进行跌落测试后形貌（EN 13158:2018/防护等级I）

对于所有的冲击能级（25J、30J、35J），传递力曲线、冲击器加速度和位移的变化过程具有相似的特征。图10为一级保护能力的上述参数曲线图。

图10　XRD B-Guard跌落试验结果

通过试验证实了使用含有非牛顿流体的护盾作为背部保护器的可能性。应用轻、软、灵活的层（没有刚性元件），使用高舒适度复合结构保证了所需的防护能力水平，已满足EN 13158: 2018一级骑手防护服的要求。所开发材料系统的性能取决于作为阻尼元件的流体。在直径为80 mm的扁平冲击器中，由甲基-、苯基-组成的粘弹性流体KM的最大传力平均值最低。同时，添加填料和润滑介质的硼硅氧烷聚合物和高分子量聚合物流体ZB，也具有高粘性和高弹性的。窄杆冲击器冲击点对冲击能量吸收的影响取决于所使用的流体类型:对于KM流体，当充满KM流体越多时，吸收的能量越多。然而，这种情况对于ZB材料是不适用的。

原始文献：Pacek D, Rutkowski J. The composite structure for human body impact protection. Composite Structures 2021;265:113763.