防弹材料一听就安全感爆棚，而随着科学发展，这种安全感也有了更广泛的应用空间。日前，中国研究人员开发出一种新型的柔性智能抗冲击材料，能在受到冲击时更好地吸收和分散动能，有望用于提升多种防护装备的性能。正所谓“新型材料防冲击，守护安全更有力”，这种新的材料是如何研发出来的，在未来又有什么样的应用前景呢？欢迎收听本期《照亮新闻深处——不惧冲击新材料》。
主持人：今天和大家分享的话题与我国科研人员研发的一种新材料有关，这是一种新型的柔性智能抗冲击材料，能够在受到冲击时更好地吸收和分散动能，有望用于提升多种防护装备的性能。这种抗冲击材料名为“FIAM”，它的准确解释是一种柔性的智能抗冲击材料。用这种材料制作出来的新型防弹衣性能有明显提升。除了用于制作防弹衣之外，这种柔性智能抗冲击材料在我们的生活中还有很多用武之地。那么，这一材料研发的背景和过程是什么呢？未来在我们的生活中还能做点什么呢？今天我们请来了这项研究成果的研发主力之一，中国科学院力学研究所博士，中国科学院过程工程研究所博士后，中科力信联合创始人、董事、总经理杨喆。
今天做客我们的节目，要跟大家分享一下您的科研成果和创业成果。我觉得这是特别好的一个事情，有了科研成果能够立刻进行转化，而且还用在防弹衣上，这是关键时刻可以救人命的一种重要的装备。所以先请杨老师给我们介绍一下，我今天所提到的这种材料是怎么研发出来的？或者说这具体是一种什么样的材料？
杨喆：我们这项研究已经有十余年的研发历程和历史了，我们的技术团队来自中国科学院力学研究所，是冲击防护的技术团队，团队创始人是冲击防护专家——郑哲敏先生，他是中国爆炸力学的创始人和奠基人，也是2012年国家最高科技奖的获得者。我们的冲击防护技术团队经常会承接到国家在一些“卡脖子”技术领域的课题任务，在研发过程中，有一个关键的力学问题——高价值武器的精准打击和信号识别问题。随着我们武器速度的提高，对于其关键芯片、电路的精准防护和安全保护，就是至关重要的“卡脖子”问题，如果芯片保护不好，电路保护不好，就谈不上精准打击。我们把这样一个高速带来的力学环境演算出来，发现芯片需要经历一个超高的力学载荷，超高的震动环境。我们就针对性地采用这种新型的柔性智能抗冲击材料结合环氧树脂（一种灌封材料）进行联合研发，定型了一种高价值的可以防护高速武器芯片和电路的新型灌封材料，这也是我们第一款实际落地的应用产品。
主持人：您刚刚说这个材料原本并不是用来做防弹衣的，而是用来做芯片电路防护的，但是我们在新闻当中看到，其实吸引大家关注的是这个材料可以来做防弹衣，而且效果还很好，您怎么解释您看到的重点和我们看到的重点不太一样？ 杨喆：因为防弹衣指的是单兵防护，就是战士的人体防护，防弹衣和防弹头盔都是面临手枪子弹或者“破片”的打击，是对于人体胸腔和头部的防护，这个力学环境比我刚刚提到的高速武器的力学环境要低一个档次。 主持人：您所说的“低一个档次”也就是“低一个量级”，应如何理解？ 杨喆：是指它的速度以及材料变形的速率（科学名称叫“应变率”），低一个档次就是和我们生活息息相关的日常的磕碰、摔倒，再低一个档次就比如是手机的跌落。相对来说，防弹衣是第二级别的冲击环境，最高级别就是高速武器以及空间中的卫星碎片，它们的速度都是不一样的量级。 主持人：所以您的意思是既然在武器当中可以保护芯片和电路，那么再降一个档次做防弹衣是绝对没有问题的。 杨喆：对，这就相当于是“降维打击”，对我们来说这就非常好落地了。 主持人：我有个疑问，您是在力学所读的博士，力学所顾名思义解决的都是一些力学的问题，而我们新闻当中这个主角的本质是一种材料，在我看来化学所做这个材料更为名正言顺，您怎么解释力学所的人做出了材料的事？ 杨喆：这样一个材料体系，其实最关键的技术并不是材料的配方，而是我们有力学相关的知识，相当于我们可以分解每一个需要防护的目标，研究它面临着什么样的力学环境。举个例子，汽车上面的安全带和安全气囊以及防撞梁是为了保护驾驶员在汽车发生碰撞的时候，汽车能够提供的一个保护环境。如果把这个车变得非常刚硬，如何撞击都不会变形，这样的结构对于驾驶员的保护来说反而是不合理的。所以我们主要是研究目标承受的力学环境是什么，我们这项技术最根本的本源还是力学。 主持人：我能理解的是，你们要研究撞击事件发生时的“力学解构”，比如说这个力如何去分散，受力在哪里，把这个问题研究清楚以后，再在材料上下功夫，这就有的放矢了。如果说不知道这个力是怎么分散的话，再找各种材料，效率会比较低，因为不知道问题的本源在哪儿。 杨喆：对，因此我们这个技术归结下来就是根据不同的力学环境，反向设计材料的一项技术。 主持人：那这个材料你们是怎么设计出来的？是一项一项试验出来的还是怎么研究的？ 杨喆：其实这种抗冲击的材料大家生活中也能遇见，比方说小朋友科普中都能听到的一种非牛顿流体材料，它的特点是遇强则强，遇弱则弱。我们就把这一类的非牛顿流体材料最核心的一些化学键提取出来，放到我们工程中经常应用的材料中，比如防弹衣中经常用的EVA材料，灌封胶经常使用的环氧树脂。我们将化学键和传统工业材料相结合，就能起到这样一个遇强则强的效果。 主持人：您说的原理我们听起来很简单，但是在实际操作的过程中，比如中间的配比、温度、加工工艺以及化学键的提取，怎样能够把这些复杂的因素按照您理想的状态合在一起呢？ 杨喆：经历了十多年的积累，我自己也发现我们这个团队需要化学方面知识的补充。我后来也去中国科学院过程工程研究所攻读了化学方面的博士后，并在博士后期间获得了一些化学材料和力学交叉的科研成果，相当于有了力学知识之后，我们再去补齐了化学材料方面的知识。 主持人：您这是学有所用，就是根据问题去学习相关的知识，再去解决问题。 杨喆：我们进入力学所读研究生时，研究生办给我们组织的第一堂课就是这样教育我们的。因为中国科学院力学研究所是钱学森先生一手创立起来的，钱先生办所的第一个方针思想就是工程科学思想，在工程应用和科学研究之间架起一座桥梁，使科研成果能够迅速地转化落地应用。力学研究所在建所以来也为国家战略需求做出了杰出的贡献，最为著名的就是两弹一星。我们作为新时代力学所的年轻人，也要在冲击防护这个小的研究方向上有的放矢，按照工程科学思想来开展工作。 主持人：那接下来我们就说一说你们的这个材料在实际应用中的效果怎么样。比方说您提到的量级最高的，在您看来难度最大的一些元器件的防护效果如何，在实验的过程中有没有出现一些意想不到的问题，这些问题又是如何解决的？ 杨喆：这个说来话长，我跟大家说一下我遇到的一两个小问题。因为我们往往更加关注抗冲击的指标，但是在实际应用中这些关键元器件的防护需要长期的储存，以及应对老化的问题，这些都是我们之前没有花太多精力和时间去探索过的。比如说防护目标的使用年限或使用寿命，是我们在做前沿研究时往往容易忽略的，但是这些问题又是我们实际应用中必须要克服和解决的问题。针对这个问题，我们一方面要高屋建瓴，去解决这个“卡脖子”的问题；另一方面，又要“下里巴人”，把实际可长久应用、可长期服役的一些工程问题也一并思考并解决，从而实现实际的量产应用。 主持人：那我们还是来说说今天新闻中提到的防弹衣，这个材料在加入前后到底有什么区别？全球的防弹衣现在一般用的材料都是凯夫拉纤维，这个材料问世已很多年，效果也很好，那咱们现在开发出的这个材料和这款已经问世并应用多年的材料有什么关系呢？ 杨喆：防弹衣一般是分为两层，您刚刚提到的凯夫拉纤维主要是用在防弹层，它主要是为了让子弹不穿透。凯夫拉纤维属于软质的防弹层，主要用于抵抗二级的手枪弹。如果是抵抗步枪弹，那我们就需要三级和四级的防弹衣，三级和四级的防弹衣会在凯夫拉纤维层前面放一层陶瓷插板，一般是碳化硅和碳化硼制成的，这些都属于防弹层。防弹衣的内侧和人体贴合的部分还有一个缓冲层，这个缓冲层的作用主要就是在防弹层受到打击之后，后面对人体的伤害能够尽量减小。我们国家的国军标对防弹衣提出了一个比较严格的标准，就是相应等级的防弹衣在受到打击之后，后面的凹陷不能超过25毫米，也就是2.5厘米，这个数据对于人体来说，尤其是瘦弱的人来说也会造成伤害。我们科研人员要做的就是尽量减少这个凹陷的距离，为人体提供更好的防护，所以我们在缓冲层加入了柔性智能抗冲击材料和技术，使前面受到的子弹冲击载荷可以向四周分散传递，把凹陷大幅度降低，我们现在的技术可以使凹陷比市面上的标准降低30%-50%，最好的情况下我们的凹陷值只有5毫米。 杨喆：对。我们大幅降低了子弹冲击对人体可能造成的伤害，这样就可以保证战士的持续作战能力，而且现在我们的这个防弹衣技术已经获得了国家最权威的军事科学院军需工程研究所的权威报告，目前已经达到可量产的状态。我们也接到了北京市科委“怀柔科学城成果落地专项”的国家财政支持，支持我们在怀柔科学城建立一个产业化基地，从而去加速防弹衣的量产落地。 主持人：那如果把我们的这个技术放在世界的层面来进行比较，和一些军事强国比，您这个防弹衣的研发在国际上达到了一个什么样的水平？ 杨喆：中国作为全球防弹衣的产量大国，在全球的占比可达70%，在防弹衣的生产上我们国家可以说是全球第一。对于技术方面，英国有一种材料叫D3O，英军和美军将其用在了液体防弹衣上，但是液体防弹衣本身自重很重，会随着重力下坠，所以这项技术也仅仅是停留在宣传上，并未实际大规模投入到军事应用中，而我们的防弹衣是完全固态的，而且现在我们这个技术可以说是处于全球领先的水平。 主持人：防弹衣距离我们普通老百姓还是比较远，这种材料和普通老百姓的生活有没有关系，或者说我们在哪些领域可以享受到它带来的福利呢？ 杨喆：我们目前在民用市场也在发力，也有几个方向同时进行的研发进展，其中与我们老百姓关系比较近的就是手机，可以做手机屏幕的防护。目前市面上较多的是玻璃屏的直板手机，而趋于流行的还有一种比较高端的产品，就是折叠屏手机，像华为 、OPPO、VIVO、小米、荣耀等大厂都在做折叠屏。折叠屏手机的最大特点就是可折叠，但是最大的弱势也在于屏幕是柔性的，它没有一层玻璃类材质的强有力的防护，而且折叠屏因为其本身的特性无法进行贴膜保护，因此折叠屏的防护问题就成了用户的一个痛点。比如市面上一些常见的折叠屏手机，如果我们用一支中性笔从十至二十几厘米的高度自由落体到手机屏幕上，手机屏就会出现损坏，所以可见其脆弱的程度。我们现在将研发的材料在手机正面和背部双面赋能，向手机屏幕材料中的膜材和胶材中加入抗冲击材料因子，便可大大提高手机屏幕的抗冲击能力，加入抗冲击材料的手机屏幕抗冲击能力可提升至少30-50%。 主持人：您刚刚提到的这个材料不仅仅可以应用在防弹衣中，作为一种固态材料，实际上它还可以放在手机屏幕中作为一种涂层来使用？ 杨喆：它是一种膜材，是无色透明的，我们将这个抗冲击材料因子加入到手机膜材中，在保证原有性能的同时，最为核心的就是要大大提高手机屏幕的抗冲击能力。 杨喆：现在我们跟国内一些大的手机屏幕生产厂商正在进行联合研发，预计明年夏天就可以落地新款产品。 杨喆：还有离我们生活比较近的就是最近比较火的新能源汽车，也就是现在的电动汽车，它的碰撞问题也是现在车主的一个痛点。电动汽车发生碰撞之后，会在短时间内起火甚至爆炸，对驾驶员和乘客造成无法估量的伤害。因此电动汽车在受到碰撞，以及底盘受到针刺之后，是否能够让它抗冲击，让它的电池损伤降到最低，降低起火和爆炸概率，这是汽车厂家、汽车电池厂家以及用户最为关心的问题。针对以上问题，我们正在研发电池防护的一种垫材，跟防弹衣是一个应用原理，就是将新能源汽车碰撞的载荷降到最低，我们已在这方面成立了专项研发小组，也在和国内电池主流生产商进行联合研发。 主持人：这是好事，手机跟我们的生活很近，尤其是折叠屏手机，要让我们用起来更加的安全，更加的省事，要不然总是会担心摔坏、磕碰带来的经济损失。还有就是新能源汽车，实话说新能源汽车在电池方面的安全性一直是广受争议的，如果说我们能有更好的材料、更好的技术手段保证电池的安全性在一定的水准之上，我相信愿意选择新能源汽车的朋友们将会越来越多。而且如果我们在这个领域能有技术的进步，其实面对世界的大市场，我们的汽车、电动汽车更加安全，续航又长，肯定会在市场中赢得更多的先机，这也是今天我在节目中跟大家分享这个话题的自己的一些体会。 今天我们提到的是一种新型的材料，这种材料从高端的角度来说，可以让一些军用武器在高速飞行的时候保持内部电路状态的稳定。如果再低一个层级，用在一些重要的防护材料中，可以给我们带来安全性和舒适性的体验，那么它距离我们普通百姓的生活也会很近。这就是杨博士来到我们节目一开始和我们提到的中科院力学所的创所理念，对于科学技术的探索固然很重要，但是这些技术如果可以快速地运用到老百姓的生活中，这才是更重要的一件事。 再次感谢中国科学院力学研究所博士，中科院过程工程研究所博士后，中科力信联合创始人、董事、总经理杨喆给我们带来的精彩分享，谢谢！