一种柔性可变的防护结构的制作方法

本发明属于安全防护技术领域，特别涉及一种柔性可变的防护结构。

背景技术：

液态金属是一种熔点在300℃以下的金属材料，在低温下呈现固体金属性状而在常温或高温下呈现液体形态。液态金属通常以镓金属及其合金为主，包括镓铟合金以及镓铟锡合金等。其具有良好的导电性能以及导热性能，同时具有金属光泽，在液体状态下具有良好的流动性能以及表面张力等特性。液态金属具有一定的浸润性，利用液态金属墨水，可以制成柔性力学传感器，也可以结合其导电性能以及流动性能制成可直接使用电力驱动的电磁泵。

在军事，治安，工业生产中，安全防护都是非常重要的需求。一般而言，防护等级可以通过使用更坚硬的材料或者增加防护材料的厚度来加以提高，但这种方式同时也会导致防护结构变得笨重从而失去灵活性。例如在一些军事任务中，防弹衣在平时穿戴时需要具有较高的柔性，以利于穿戴舒适以及行动的灵活。在一些工业生产中，机械臂等在运动时需要具有较高的灵活性，而在静止状态下则需要良好的防护性能。

目前已有的防护材料及结构多为静态结构，其性能特点不能根据需要来进行调节。典型材料如凯夫拉，玻璃纤维等，虽然具有较高的强度，但在一些应用场景中过于柔软，需要涂覆树脂材料构成复合材料。但在复合树脂材料之后，复合材料本身呈刚性而不能再次变软。

在传统防护材料中，金属是一种重要的选择，尤其是在一些装甲车辆的防护上等，得到了广泛的应用。液态金属作为一种熔点在常温范围内的金属材料，其能够在液体和固体之间进行切换的特点得到了我们的关注。通过合理的结构设计，我们设计了一种能够结合金属材料的强度与弹性高分子材料如硅胶等的柔性的可变防护结构，其能够根据应用场合的不同，通过控制电路，改变防护结构的柔性。在柔性状态下能够自由弯曲或者拉伸延展，而在刚性状态下内部有固态金属作为支撑，具有较高的强度以及防护性能。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种柔性可变的防护结构，通过结合普通柔性材料与液态金属相变材料，配合温度控制系统以及液体泵等，可以根据应用场景的不同，使得防护结构在柔性和刚性之间进行切换。当防护结构处于柔性状态时，内部液态金属相变材料处于液态，结构整体能够较为自由地弯曲或延展，贴附在被保护物体的表面并确保其运动的灵活性；当防护结构处于刚性状态时，内部液态金属相变材料处于固态，整体结构具有较高的刚性以及强度，可以起到对被防护物体的保护或者固化以限制运动的作用。本发明的应用空间广泛，包括军事上的防弹衣，工业机械臂以及警用器械等。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种柔性可变的防护结构，包括柔性包裹层1，空心存储阵列2，液态金属相变填充材料3，控温流体4，液体泵5，流体管道6，制冷模块7，加热模块9以及控制电路8，所述金属相变填充材料3存储于空心存储阵列2内，流体管道6贴附在空心存储阵列2上，制冷模块7与加热模块9对控温流体4进行冷却或加热，并通过液体泵5使得控温流体4在流体管道6中流动，控制电路8接受指令，控制制冷模块7、加热模块9以及液体泵5的开关，防护结构的外层由柔性包裹层1进行包裹，通过温度控制液态金属相变材料3的固相及液相状态，从而改变防护结构的硬度，在柔软与刚性之间切换，实现柔性可变。

所述柔性包裹层1所用材料为柔性聚合物材料(例如硅胶、橡胶、硅橡胶等)或纤维织物材料(凯夫拉、碳纤维或其他化纤或棉纺等)，能够固定包括空心存储阵列2在内的其他组成部分，且能够在外力作用下产生变形，所述空心存储阵列2为柔性材料制成的具有空腔结构的阵列。

所述液态金属相变填充材料3随着温度在熔点附近的变化，能够在低温下变为固体，具有满足一定的刚性及强度，同时在高温下变为液体，能够自由流动。

所述液态金属相变填充材料3为熔点在300摄氏度以下的低熔点金属或合金，金属成分是镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、铜、银、金、汞、钠、钾、镁、铝、铁、钴、镍、锰、钛、钒中的一种或多种，其形式是金属单质、合金或者金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体，密封在空心存储阵列3当中，通过流体管道6被冷却或加热。

所述控温流体4为具有一定比热容与热导率的流体物质，通过液体泵5的作用经流体管道进入防护结构内部，通过热交换作用对空心存储阵列2内的液态金属相变填充材料3进行加热或冷却。

所述流体管道6，位于可变防护结构内部且为柔性材料制成，随着结构整体一起发生变形，流体管道6贴附在空心存储阵列2上，且与液体泵5、加热模块9以及制冷模块7相连，内部流动控温流体4。

所述制冷模块7在控制电路8的作用下对控温流体4以及液态金属相变填充材料3进行降温，从而使得液态金属相变填充材料3固化；所述加热模块9在控制电路8的作用下对控温流体4以及液态金属相变填充材料3进行加热，从而使得液态金属相变填充材料3由固态变为液态。

所述制冷模块7采用空调式压缩-汽化循环制冷，或采用半导体制冷片，或采用空气或水对流制冷，加热模块9采用空调式汽化-压缩循环制热，或采用半导体制热片，或采用电热丝通电后加热。

所述控制电路8通过有线或无线的方式接收外部指令，通过打开加热模块9或制冷模块7，对控温流体4进行加热或制冷，再利用液体泵5，将高温或低温的控温流体4传输至空心存储阵列2周边，通过热量传递改变空心存储阵列2内部的液态金属相变填充材料3的状态，由固态变为液态或用液态变为固态，进而使得柔性可变防护结构整体的硬度发生改变。

与现有技术相比，本发明提出了一种柔性可变的以液态金属相变材料为基础的防护结构。通过温度控制能够使得防护结构在刚性和柔性之间进行切换，能够兼顾灵活性以及金属防护性能。可以用于军事防护，工业生产，警用装备等。

附图说明

图1是本发明一种柔性可变的防护结构示意图，柔性包裹层为纤维编织材料。

图2是本发明一种柔性可变的防护结构在刚性状态下侧面的示意图，其中液态金属相变填充材料为固态，制冷模块处于工作状态。

图3是本发明一种柔性可变的防护结构在柔性状态下侧面的示意图，其中液态金属相变填充材料为液态，加热模块处于工作状态。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明。

实施例1：

图1是本发明的分层结构示意图。其中1为柔性包裹层，2为空心存储阵列，3为液态金属相变填充材料，4为控温流体，5为液体泵，6为流体管道，7为制冷模块，8为控制电路，9为加热模块。液态金属相变填充材料3填充在空心存储阵列2内部。空心存储阵列2为柔性材料如硅胶或橡胶制成的具有空腔结构的阵列。空心存储阵列2贴附在柔性包裹层1上，当液态金属相变填充材料3为液态时，整个空心存储阵列2也处于柔性状态，在外力作用下柔性包裹层1和空心存储阵列2会一起产生形变，如图3所示。

具体到本实施例中，所用的液态金属相变填充材料3为25％铟，75％镓的佳镓铟合金，熔点约为14℃。

通过改变温度，可以让空心存储阵列2内部的液态金属相变填充材料3变为固态，此时空心存储阵列2结构具有较高的金属强度，起到对柔性包裹层1的支撑作用，在外力作用下不会产生变形，起到保护或者增强结构强度的作用。

控温流体4在流体管道6内部流动，具体到本实施例当中，流体管道6为往复弯曲结构，贴附在空心存储阵列2的另一侧，当液态金属相变填充材料3处于液态时，流体管道6可以随着整体结构一起产生形变，如图3所示。

加热模块9和制冷模块7串联在流体管道6当中，通过控制电路8可以调节流体管道6内部的控温流体4的温度。当加热模块9打开时，控温流体4的温度显著高于液态金属相变填充材料3镓铟合金的熔点；当制冷模块7打开时，控温流体4的温度显著低于液态金属相变填充材料3镓铟合金的熔点但高于控温流体4本身的熔点。具体到本实施例中，所用的控温流体4为水。

当柔性可变的防护结构需要从刚性转变为柔性时，加热模块9打开，液体泵8打开，较高温度下的控温流体4在管道中循环，从而加热空心存储阵列2内部的液态金属相变填充材料3，使之从固态转变为液态，从而软化整体结构。此时结构可以在外力作用下弯曲或拉伸等，具有较高的舒适度以及灵活性。当需要从柔性转变为刚性时，制冷模块7打开，液体泵8打开，较低温度下的控温流体4在管道中循环，从而对空心存储阵列2内部的液态金属相变填充材料3进行冷却，使之从液态转变为固态，提高整体结构的刚性。此时结构在外力作用下不易产生变形，具有较高的强度，能够起到保护或者支撑的作用。

最后所应说明的是，以上利用液态金属填充材料实现的柔性可变的防护结构的实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。