防彈纖維結合奈米碳管,新輕質材料更有效擋高速子彈與太空碎片

作者 | 發布日期 2022 年 03 月 01 日 17:49 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


對想打造一流防彈材料的科學家來說,最好的盔甲是既能保證穿戴者安全、又能提高行動上的機動性。威斯康辛大學麥迪遜分校團隊最近打造出一種新型超輕裝甲材料,因獨特的化學成分,性能比鋼和克維拉纖維還要好。

克維拉(Kevlar)纖維具有極佳抗拉性能,強度為同等質量鋼鐵的 5 倍,但密度僅鋼鐵五分之一,因此早期被用於替代賽車輪胎中的部分鋼材。現在克維拉纖維廣泛用於船體、飛機、自行車輪胎、軍用頭盔、防彈背心之中,但克維拉主要弱點是處於鹼性環境、暴露於氯及紫外線之下,將被逐漸分解。

為了製造更好的防彈材料,威斯康辛大學麥迪遜分校團隊將奈米碳管結合克維拉纖維,發現新的奈米纖維墊在消化微彈丸衝擊(速度超過音速)時表現更出色,強度、韌性和剛度等性能也更突出。

研究人員從中找到新型材料更加強韌的化學反應,當將少量克維拉纖維加入由奈米碳管構成的「墊子」中時,兩者比例恰到好處會導致纖維之間形成氫鍵,由於氫鍵是種動態鍵,可以不斷斷裂並再次形成,便能藉由該動態過程消耗大量能量(如物體高速穿入),同時氫鍵也為這種相互作用提供了更大剛度。

團對展開微粒衝擊系統測試,將雷射光以不同速度(每秒 100 公尺~1 公里)把微粒發射到材料樣品中,證實新材料可在超音速衝擊速度下實現近 100% 能量耗散。

新型材料比克維拉織物和鋼板更能抵禦高速衝擊,為高性能超輕裝甲材料提供另一種製造基礎,而據研究人員稱,新材料或也能應用於保護太空探測器被高速碎片撞壞。

新論文發表在《ACS Nano》期刊。

(首圖來源:pixabay