羅筱

摘要：非牛頓流體材料憑其流變性能，在實(shí)際生活中有著長遠(yuǎn)的應(yīng)用價(jià)值。近年來，體育防護(hù)領(lǐng)域運(yùn)用非牛頓流體材料的“剪切增稠”特性，對(duì)新型防護(hù)用品的研發(fā)達(dá)到了一個(gè)新的高度。本文就非牛頓流體的概念和非牛頓流體材料在體育防護(hù)領(lǐng)域的研究方向以及其應(yīng)用價(jià)值做出了系統(tǒng)探析。

關(guān)鍵詞：非牛頓流體;新材料;體育防護(hù);應(yīng)用價(jià)值

中國分類號(hào)：TQ050.4⁺3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）06-0076-03

體育事業(yè)的蓬勃發(fā)展對(duì)體育防護(hù)提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的防護(hù)材料總體來說比較笨重，防護(hù)功能也相對(duì)較差。2006年都靈冬奧會(huì)上，北美部分國家運(yùn)用“D30”材料來制作滑雪運(yùn)動(dòng)員的滑雪服，這種滑雪服憑借輕便且具有高對(duì)抗沖擊力的特點(diǎn)而廣受關(guān)注，隨后體育界逐漸興起對(duì)這種具有“剪切增稠”材料的研究。隨著科技的進(jìn)步，非牛頓流體材料憑起“剪切增稠”的性能在體育防護(hù)用品中也逐步得到推廣運(yùn)用，在體育防護(hù)領(lǐng)域有著較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

1 非牛頓流體的概念

不滿足牛頓粘性試驗(yàn)定律的流體稱之為非牛頓流體，非牛頓流體的剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不存在線性關(guān)系。在人們的日常生活和生產(chǎn)以及大自然之中，非牛頓流體隨處可見。比如人體中的血液和細(xì)胞質(zhì)，食品中的番茄汁、蛋清、果醬、面團(tuán)、肉糜，工業(yè)中的聚丙烯酰胺、滌綸、橡膠溶液、石油、泥漿、油漆、鉆井用的洗井液和完井液，大自然中的高含沙水流、泥石流、地幔等都屬于非牛頓流體。在剪切應(yīng)變速率的變化下不同種類的非牛頓流體會(huì)呈現(xiàn)出不同的流變特性，憑借這些特性，非牛頓流體在工業(yè)、體育或其他領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。

“剪切增稠”是非牛頓流體的重要特征，原理表現(xiàn)為在常態(tài)下材料會(huì)保有松弛的狀態(tài)，不僅柔軟，而且具有彈性，一旦遭受到外力的劇烈碰撞或者沖擊，材料中的分子便會(huì)即刻相互鎖定，迅速收縮并變緊變硬，對(duì)外力進(jìn)行吸收和消化，從而形成一層保護(hù)層，在外力消失之后，材料便會(huì)回復(fù)到原來的軟彈、流動(dòng)的狀態(tài)。

2 對(duì)非牛頓流體材料用于體育防護(hù)的研究梳理

非牛頓流體材料以其自身特性多運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域，就目前國內(nèi)對(duì)非牛頓流體運(yùn)用于體育防護(hù)的研究基本可以分為三種：

第一種，通過利用非牛頓流體材料的剪切增稠與其他纖維材料進(jìn)行復(fù)合，從而發(fā)展新的復(fù)合材料，在保證材料柔軟的基礎(chǔ)之上，對(duì)材料的防護(hù)性能有所提升。比如在趙金華的《剪切增稠流體的制備及其在軟體防刺材料中的應(yīng)用研究》中表明，Kevlar-STF復(fù)合試樣的防錐性能顯著優(yōu)于相同面密度下的純Kevlar試樣，靈活性更好。STF進(jìn)入纖維織物，試樣受到的摩擦力增加，有效提高防錐性能。

第二種是非牛頓流體材料在人體防護(hù)中的研究與應(yīng)用。比如曹海琳和晏義伍于2010年在國內(nèi)申請(qǐng)的專利，將一種軟體防彈防刺的材料進(jìn)行公開發(fā)表，這種軟體材料由防彈纖維的織物層、熱塑樹脂纖維織物層和剪切增稠纖維織物層進(jìn)行疊加并復(fù)合而制成。在這一軟體材料中，利用防彈纖維的織物層，可使新型材料具有優(yōu)良防彈性能;樹脂復(fù)合織物在纖維的移動(dòng)上可以進(jìn)行有效約束，防止纖維斷裂破壞織物，增加能量的消耗;憑借剪切增稠所具有特殊流變性能，可以快速吸收并消化外來的沖擊力量。采用防彈纖維布、剪切增稠液體復(fù)合織物和樹脂復(fù)合織物疊層，將不同材料進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，不僅可以保證防護(hù)材料的輕軟特性，而且可以大大提升材料的防彈防刺性能。

第三種是利用非牛頓流體的剪切增稠在抗低速?zèng)_擊性能的研究上。比如在，如薛亞靜，林蘭天等人在《剪切增稠流體運(yùn)用于低速?zèng)_擊防護(hù)的研究探討》中說明，在通過對(duì)復(fù)合剪切增稠流體材料進(jìn)行低速?zèng)_擊測(cè)試研究之后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，剪切增稠流體材料比單純?cè)黾臃雷o(hù)材料厚度有更加明顯的抗沖擊能力。

3 非牛頓流體材料在體育防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1防護(hù)衣的應(yīng)用

目前，非牛頓流體材料在體育防護(hù)衣方面的應(yīng)用最為廣泛，尤其是極限運(yùn)動(dòng)，比如滑板、極限單車、攀巖、極限輪滑等高危項(xiàng)目，對(duì)防護(hù)服的要求極高。非牛頓流體材料應(yīng)用于體育防護(hù)衣的最大的優(yōu)點(diǎn)在于其材質(zhì)更加輕便，安全性能更高。值得注意的是，利用非牛頓流體材料進(jìn)行軍事防彈衣的研究開發(fā)是當(dāng)今的一大科研熱點(diǎn)，但是由于我國相關(guān)技術(shù)發(fā)展比較緩慢，直至2013年，液體防彈衣在我國中物功能材料研究院得到成功研制，用非牛頓流體材料制作的液體防彈衣比傳統(tǒng)的防彈衣在厚度上要減少45%，而防彈性能卻提高了30%左右，這對(duì)于我國高科技材料的研究開發(fā)是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這表明我國在液體防彈衣的研發(fā)上實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，打破了其他國家的技術(shù)壟斷，在新材料的開發(fā)上達(dá)到了較高層次的水平。

3.2運(yùn)動(dòng)鞋的應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)鞋是非牛頓流體材料應(yīng)用于體育防護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，對(duì)于這一高科技材料的應(yīng)用不得不提國產(chǎn)品牌匹克。2018年12月，匹克發(fā)布了自適應(yīng)中底科技——匹克“態(tài)極”（PEAK TAICHI），以及基于此技術(shù)的第一款跑鞋：TAICHI 1.0。而這雙鞋子以及“態(tài)極”這個(gè)科技被匹克寄托為：“希望能夠像阿迪達(dá)斯當(dāng)年推出中底緩震技術(shù)Boost一樣，也成為運(yùn)動(dòng)鞋領(lǐng)域里的一個(gè)“顛覆性”技術(shù)。這款運(yùn)動(dòng)鞋底搭載智能材料P4U（非牛頓流體材料），并通過創(chuàng)新技術(shù)復(fù)合發(fā)泡而成，相較于傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)鞋材料，P4U鞋墊具有“自適應(yīng)”特征——在低速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，可以為使用者提供柔軟而舒適的穿著體驗(yàn);當(dāng)使用者加快運(yùn)動(dòng)的速度，中底的彈性模量就會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)速度的加快而不斷增大，變?yōu)楦邚棤顟B(tài)，為穿著者提供良好的響應(yīng)、回彈和支撐。而這種科技確實(shí)是經(jīng)歷了大眾的上腳之后得到了一致的好評(píng)。P4U鞋墊的減震性能是普通鞋墊8倍，將非牛頓流體材料材料運(yùn)用于運(yùn)動(dòng)鞋可以有效減輕回彈力對(duì)膝蓋的傷害。

3.3關(guān)節(jié)防護(hù)用品的應(yīng)用

液態(tài)性的非牛頓流體材料可塑性非常強(qiáng)，對(duì)于制作關(guān)節(jié)防護(hù)用品有著很廣闊的應(yīng)用前景。例如季忠剛，周逸昀等發(fā)明的一項(xiàng)新型護(hù)具，利用非牛頓流體剪切增稠的原理來制作而成：這種護(hù)具分為兩部分，包括普通防護(hù)片和一層防護(hù)芯片，這兩部分可以通過可拆卸的連接扣件來調(diào)整寬松度，使護(hù)具佩戴起來更加舒適，而防護(hù)芯片的材質(zhì)特性則是整個(gè)護(hù)具中的核心要素。防護(hù)芯片的材質(zhì)由剪切增稠的非牛頓流體材料制作而成，它的最大優(yōu)勢(shì)在于不僅可以保證護(hù)具的柔軟與輕便，不影響關(guān)節(jié)處的活動(dòng)，而且關(guān)節(jié)在受到外力沖擊時(shí)，護(hù)具可以快速變成擁有高抗沖擊力的固態(tài)形體，有效分散外力對(duì)關(guān)節(jié)處的沖擊力度，進(jìn)而降低沖擊力對(duì)人體的損害程度，保證體育活動(dòng)中的安全性。

4 非牛頓流體材料在體育防護(hù)中的價(jià)值

4.1材質(zhì)具有安全性

非牛頓流體材料作為一種安全而非改善型的材料，在體育防護(hù)領(lǐng)域中可以充分發(fā)揮其優(yōu)越性，大放光彩。相較于傳統(tǒng)防護(hù)材料的安全性而言，“智能化”是非牛頓流體材料所特有的，從某種角度上來說，非牛頓流體材料本身就屬于一種智能化的材料?！凹羟性龀碛兄坝鰟倓t剛，遇柔則柔”的特點(diǎn)，與汽車安全氣囊的原理比較類似。非牛頓流體材料運(yùn)用在體育防護(hù)中，會(huì)比傳統(tǒng)防護(hù)材料的防割、防刺性能都要優(yōu)越，使該材料更具有安全性，進(jìn)而令其在體育防護(hù)中的應(yīng)用成為可能。

4.2材質(zhì)具有輕便性

非牛頓流體材料作為一種柔軟的防護(hù)材料，在實(shí)現(xiàn)其安全防護(hù)功能的基礎(chǔ)之上，改變了傳統(tǒng)防護(hù)材料厚重的缺點(diǎn)，運(yùn)用更加輕便的材料，打破了傳統(tǒng)思想上護(hù)具安全性更高、材料越厚的觀念。而正是因?yàn)榉桥ｎD流體材料的輕便特點(diǎn)，新型護(hù)具在實(shí)際體育活動(dòng)者有著不可比擬的優(yōu)越性。就武術(shù)散打?yàn)槔瑐鹘y(tǒng)的護(hù)具較為笨重，一度影響了運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)發(fā)揮，也大大降低了散打表演的觀賞性能，因此在較長的一段時(shí)間內(nèi)，散打運(yùn)動(dòng)員解除了護(hù)具，但是由于奧運(yùn)會(huì)的規(guī)則限制，運(yùn)動(dòng)員只能重新帶上傳統(tǒng)的護(hù)具。而利用非牛頓流體材料來制作護(hù)具，運(yùn)動(dòng)員不僅可以擺脫傳統(tǒng)護(hù)具帶來的束縛，充分發(fā)揮自身技能，也在極大程度上提高了散打運(yùn)動(dòng)的安全性，保障運(yùn)動(dòng)員的人身安全，與此同時(shí)，觀眾的觀賽視覺感受也會(huì)有所提升，因此，將非牛頓流體材料應(yīng)用在體育防護(hù)中有著很高的實(shí)際價(jià)值。

4.3材質(zhì)具有可塑性性

非牛頓流體材料憑借其超強(qiáng)的可塑性優(yōu)勢(shì)在體育防護(hù)領(lǐng)域中得到廣泛運(yùn)用，比如在設(shè)計(jì)體育防護(hù)衣的時(shí)候，可以根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的身形及運(yùn)動(dòng)要求等特點(diǎn)，在相應(yīng)的模具中加入液態(tài)的非牛頓流體材料，以此來生產(chǎn)出適用于使用者的防護(hù)衣。與此同時(shí)，在對(duì)一些關(guān)鍵部位進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)的時(shí)候，利用非牛頓流體材料可以做出一種網(wǎng)格狀的防護(hù)薄片，實(shí)現(xiàn)對(duì)高靈活部位的防護(hù)。根據(jù)現(xiàn)已有的新型材料，許多材料在應(yīng)用的時(shí)候會(huì)變得比想象中要簡單容易得多，就像d3_o材料，只需要拿來嵌入到服裝材料里面，就可以用來制作多種體育防護(hù)用品。

4.4材料具有回復(fù)性

非牛頓流體材料具有粘彈性，在遭受外力沖擊之后會(huì)快速回復(fù)到材料原本的狀態(tài)。這種材料的粘彈性使它擁有類似固體的特征，比如強(qiáng)度、彈性，因此，只要非牛頓流體材料本身不遭到破壞，就會(huì)一直保持著這種回復(fù)性能。憑借這種回復(fù)性能，這種材料在受到連續(xù)沖擊特別是連續(xù)鈍性沖擊的時(shí)候，它回復(fù)原狀的表現(xiàn)會(huì)非常好。此外，非牛頓流體材料在其本質(zhì)上屬于一種流體，因此受到外力沖擊的時(shí)候，不僅因?yàn)樽枘崽匦远霈F(xiàn)形變，還會(huì)由于輻射阻尼特性也發(fā)生形變，所以在抗阻沖擊力的時(shí)候效果會(huì)更好。

5 結(jié)語

非牛頓流體材料作為一種高科技材料，在各行業(yè)中得到了多種應(yīng)用，在體育防護(hù)領(lǐng)域的運(yùn)用價(jià)值日益明顯。隨著對(duì)非牛頓流體材料的研究不斷深入，該材料“剪切增稠”特性在體育防護(hù)用品中的應(yīng)用也會(huì)更加普及。但是由于我國在非牛頓流體材料上的研究開發(fā)尚未達(dá)到國際領(lǐng)先水平，目前的體育防護(hù)用品仍存在較大的上升空間，所以對(duì)新型非牛頓流體材料的研發(fā)與新型體育防護(hù)用品的研制仍是今后研究的重要方向。