防弹纤维结合纳米碳管,新轻质材料更有效挡高速子弹与太空碎片

对想打造一流防弹材料的科学家来说,最好的盔甲是既能保证穿戴者安全、又能提高行动上的机动性。威斯康星大学麦迪逊分校团队最近打造出一种新型超轻装甲材料,因独特的化学成分,性能比钢和克维拉纤维还要好。

克维拉(Kevlar)纤维具有极佳抗拉性能,强度为同等质量钢铁的5倍,但密度仅钢铁五分之一,因此早期被用于替代赛车轮胎中的部分钢材。现在克维拉纤维广泛用于船体、飞机、自行车轮胎、军用头盔、防弹背心之中,但克维拉主要弱点是处于碱性环境、暴露于氯及紫外线之下,将被逐渐分解。

为了制造更好的防弹材料,威斯康星大学麦迪逊分校团队将纳米碳管结合克维拉纤维,发现新的纳米纤维垫在消化微弹丸冲击(速度超过音速)时表现更出色,强度、韧性和刚度等性能也更突出。

研究人员从中找到新型材料更加强韧的化学反应,当将少量克维拉纤维加入由纳米碳管构成的“垫子”中时,两者比例恰到好处会导致纤维之间形成氢键,由于氢键是种动态键,可以不断断裂并再次形成,便能借由该动态过程消耗大量能量(如物体高速穿入),同时氢键也为这种相互作用提供了更大刚度。

团对展开微粒冲击系统测试,将激光光以不同速度(每秒100米~1公里)把微粒发射到材料样品中,证实新材料可在超音速冲击速度下实现近100%能量耗散。

新型材料比克维拉织物和钢板更能抵御高速冲击,为高性能超轻装甲材料提供另一种制造基础,而据研究人员称,新材料或也能应用于保护太空探测器被高速碎片撞坏。

新论文发布在《ACS Nano》期刊。

(首图来源:pixabay)

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