非牛顿流体材料在体育防护中的应用价值探析

罗筱

摘要：非牛顿流体材料凭其流变性能，在实际生活中有着长远的应用价值。近年来，体育防护领域运用非牛顿流体材料的“剪切增稠”特性，对新型防护用品的研发达到了一个新的高度。本文就非牛顿流体的概念和非牛顿流体材料在体育防护领域的研究方向以及其应用价值做出了系统探析。

关键词：非牛顿流体;新材料;体育防护;应用价值

中国分类号：TQ050.4⁺3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）06-0076-03

体育事业的蓬勃发展对体育防护提出了越来越高的要求，传统的防护材料总体来说比较笨重，防护功能也相对较差。2006年都灵冬奥会上，北美部分国家运用“D30”材料来制作滑雪运动员的滑雪服，这种滑雪服凭借轻便且具有高对抗冲击力的特点而广受关注，随后体育界逐渐兴起对这种具有“剪切增稠”材料的研究。随着科技的进步，非牛顿流体材料凭起“剪切增稠”的性能在体育防护用品中也逐步得到推广运用，在体育防护领域有着较强的应用价值和发展前景。

1 非牛顿流体的概念

不满足牛顿粘性试验定律的流体称之为非牛顿流体，非牛顿流体的剪应力与剪切应变率之间不存在线性关系。在人们的日常生活和生产以及大自然之中，非牛顿流体随处可见。比如人体中的血液和细胞质，食品中的番茄汁、蛋清、果酱、面团、肉糜，工业中的聚丙烯酰胺、涤纶、橡胶溶液、石油、泥浆、油漆、钻井用的洗井液和完井液，大自然中的高含沙水流、泥石流、地幔等都属于非牛顿流体。在剪切应变速率的变化下不同种类的非牛顿流体会呈现出不同的流变特性，凭借这些特性，非牛顿流体在工业、体育或其他领域得到了广泛运用。

“剪切增稠”是非牛顿流体的重要特征，原理表现为在常态下材料会保有松弛的状态，不仅柔软，而且具有弹性，一旦遭受到外力的剧烈碰撞或者冲击，材料中的分子便会即刻相互锁定，迅速收缩并变紧变硬，对外力进行吸收和消化，从而形成一层保护层，在外力消失之后，材料便会回复到原来的软弹、流动的状态。

2 对非牛顿流体材料用于体育防护的研究梳理

非牛顿流体材料以其自身特性多运用于工业领域，就目前国内对非牛顿流体运用于体育防护的研究基本可以分为三种：

第一种，通过利用非牛顿流体材料的剪切增稠与其他纤维材料进行复合，从而发展新的复合材料，在保证材料柔软的基础之上，对材料的防护性能有所提升。比如在赵金华的《剪切增稠流体的制备及其在软体防刺材料中的应用研究》中表明，Kevlar-STF复合试样的防锥性能显著优于相同面密度下的纯Kevlar试样，灵活性更好。STF进入纤维织物，试样受到的摩擦力增加，有效提高防锥性能。

第二种是非牛顿流体材料在人体防护中的研究与应用。比如曹海琳和晏义伍于2010年在国内申请的专利，将一种软体防弹防刺的材料进行公开发表，这种软体材料由防弹纤维的织物层、热塑树脂纤维织物层和剪切增稠纤维织物层进行叠加并复合而制成。在这一软体材料中，利用防弹纤维的织物层，可使新型材料具有优良防弹性能;树脂复合织物在纤维的移动上可以进行有效约束，防止纤维断裂破坏织物，增加能量的消耗;凭借剪切增稠所具有特殊流变性能，可以快速吸收并消化外来的冲击力量。采用防弹纤维布、剪切增稠液体复合织物和树脂复合织物叠层，将不同材料进行优势互补，不仅可以保证防护材料的轻软特性，而且可以大大提升材料的防弹防刺性能。

第三種是利用非牛顿流体的剪切增稠在抗低速冲击性能的研究上。比如在，如薛亚静，林兰天等人在《剪切增稠流体运用于低速冲击防护的研究探讨》中说明，在通过对复合剪切增稠流体材料进行低速冲击测试研究之后，实验结果表明，剪切增稠流体材料比单纯增加防护材料厚度有更加明显的抗冲击能力。

3 非牛顿流体材料在体育防护领域的应用

3.1防护衣的应用

目前，非牛顿流体材料在体育防护衣方面的应用最为广泛，尤其是极限运动，比如滑板、极限单车、攀岩、极限轮滑等高危项目，对防护服的要求极高。非牛顿流体材料应用于体育防护衣的最大的优点在于其材质更加轻便，安全性能更高。值得注意的是，利用非牛顿流体材料进行军事防弹衣的研究开发是当今的一大科研热点，但是由于我国相关技术发展比较缓慢，直至2013年，液体防弹衣在我国中物功能材料研究院得到成功研制，用非牛顿流体材料制作的液体防弹衣比传统的防弹衣在厚度上要减少45%，而防弹性能却提高了30%左右，这对于我国高科技材料的研究开发是一个重要的转折点。这表明我国在液体防弹衣的研发上实现了技术突破，打破了其他国家的技术垄断，在新材料的开发上达到了较高层次的水平。

3.2运动鞋的应用

运动鞋是非牛顿流体材料应用于体育防护领域的一个重要方向，对于这一高科技材料的应用不得不提国产品牌匹克。2018年12月，匹克发布了自适应中底科技——匹克“态极”（PEAK TAICHI），以及基于此技术的第一款跑鞋：TAICHI 1.0。而这双鞋子以及“态极”这个科技被匹克寄托为：“希望能够像阿迪达斯当年推出中底缓震技术Boost一样，也成为运动鞋领域里的一个“颠覆性”技术。这款运动鞋底搭载智能材料P4U（非牛顿流体材料），并通过创新技术复合发泡而成，相较于传统的运动鞋材料，P4U鞋垫具有“自适应”特征——在低速运动的时候，可以为使用者提供柔软而舒适的穿着体验;当使用者加快运动的速度，中底的弹性模量就会随着运动速度的加快而不断增大，变为高弹状态，为穿着者提供良好的响应、回弹和支撑。而这种科技确实是经历了大众的上脚之后得到了一致的好评。P4U鞋垫的减震性能是普通鞋垫8倍，将非牛顿流体材料材料运用于运动鞋可以有效减轻回弹力对膝盖的伤害。

3.3关节防护用品的应用

液态性的非牛顿流体材料可塑性非常强，对于制作关节防护用品有着很广阔的应用前景。例如季忠刚，周逸昀等发明的一项新型护具，利用非牛顿流体剪切增稠的原理来制作而成：这种护具分为两部分，包括普通防护片和一层防护芯片，这两部分可以通过可拆卸的连接扣件来调整宽松度，使护具佩戴起来更加舒适，而防护芯片的材质特性则是整个护具中的核心要素。防护芯片的材质由剪切增稠的非牛顿流体材料制作而成，它的最大优势在于不仅可以保证护具的柔软与轻便，不影响关节处的活动，而且关节在受到外力冲击时，护具可以快速变成拥有高抗冲击力的固态形体，有效分散外力对关节处的冲击力度，进而降低冲击力对人体的损害程度，保证体育活动中的安全性。

4 非牛顿流体材料在体育防护中的价值

4.1材质具有安全性

非牛顿流体材料作为一种安全而非改善型的材料，在体育防护领域中可以充分发挥其优越性，大放光彩。相较于传统防护材料的安全性而言，“智能化”是非牛顿流体材料所特有的，从某种角度上来说，非牛顿流体材料本身就属于一种智能化的材料。“剪切增稠有着“遇刚则刚，遇柔则柔”的特点，与汽车安全气囊的原理比较类似。非牛顿流体材料运用在体育防护中，会比传统防护材料的防割、防刺性能都要优越，使该材料更具有安全性，进而令其在体育防护中的应用成为可能。

4.2材质具有轻便性

非牛顿流体材料作为一种柔软的防护材料，在实现其安全防护功能的基础之上，改变了传统防护材料厚重的缺点，运用更加轻便的材料，打破了传统思想上护具安全性更高、材料越厚的观念。而正是因为非牛顿流体材料的轻便特点，新型护具在实际体育活动者有着不可比拟的优越性。就武术散打为例，传统的护具较为笨重，一度影响了运动员的技术发挥，也大大降低了散打表演的观赏性能，因此在较长的一段时间内，散打运动员解除了护具，但是由于奥运会的规则限制，运动员只能重新帶上传统的护具。而利用非牛顿流体材料来制作护具，运动员不仅可以摆脱传统护具带来的束缚，充分发挥自身技能，也在极大程度上提高了散打运动的安全性，保障运动员的人身安全，与此同时，观众的观赛视觉感受也会有所提升，因此，将非牛顿流体材料应用在体育防护中有着很高的实际价值。

4.3材质具有可塑性性

非牛顿流体材料凭借其超强的可塑性优势在体育防护领域中得到广泛运用，比如在设计体育防护衣的时候，可以根据设计对象的身形及运动要求等特点，在相应的模具中加入液态的非牛顿流体材料，以此来生产出适用于使用者的防护衣。与此同时，在对一些关键部位进行重点防护的时候，利用非牛顿流体材料可以做出一种网格状的防护薄片，实现对高灵活部位的防护。根据现已有的新型材料，许多材料在应用的时候会变得比想象中要简单容易得多，就像d3_o材料，只需要拿来嵌入到服装材料里面，就可以用来制作多种体育防护用品。

4.4材料具有回复性

非牛顿流体材料具有粘弹性，在遭受外力冲击之后会快速回复到材料原本的状态。这种材料的粘弹性使它拥有类似固体的特征，比如强度、弹性，因此，只要非牛顿流体材料本身不遭到破坏，就会一直保持着这种回复性能。凭借这种回复性能，这种材料在受到连续冲击特别是连续钝性冲击的时候，它回复原状的表现会非常好。此外，非牛顿流体材料在其本质上属于一种流体，因此受到外力冲击的时候，不仅因为阻尼特性而出现形变，还会由于辐射阻尼特性也发生形变，所以在抗阻冲击力的时候效果会更好。

5 结语

非牛顿流体材料作为一种高科技材料，在各行业中得到了多种应用，在体育防护领域的运用价值日益明显。随着对非牛顿流体材料的研究不断深入，该材料“剪切增稠”特性在体育防护用品中的应用也会更加普及。但是由于我国在非牛顿流体材料上的研究开发尚未达到国际领先水平，目前的体育防护用品仍存在较大的上升空间，所以对新型非牛顿流体材料的研发与新型体育防护用品的研制仍是今后研究的重要方向。