科学探索|科学家制造出优于凯夫拉尔纤维的轻质装甲材料科学家制造出优于凯夫拉尔纤

重量通常是科学家们推动防弹材料边界的一个关键考虑因素，他们想象的盔甲在保证穿戴者安全的同时也能提高他们的机动性。来自威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们现在已经制造出一种新型超轻装甲材料，被称为“纳米纤维垫”，它具有独特的化学特性从而使其性能优于凯夫拉尔纤维和钢。

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这种新型装甲的基础是厚度只有一个原子的微小碳柱。这些被称为碳纳米管，从晶体管研究到治疗视力下降再到炸弹探测装置，该种材料已经显示出作为下一代材料的发展前景。
在调整碳纳米管用于装甲材料时，这项新研究的作者们采用了多壁版的碳纳米管并将其跟凯夫拉尔纳米纤维相结合。这个想法则是在早期研究的基础上--证明这些材料在吸收冲击方面的潜力，以看看它们是否可以被塑造成一个更加实用的护甲解决方案。
领导这项研究的Ramathasan Thevamaran说道：“纳米纤维材料对保护性应用非常有吸引力，因为跟宏观规模的纤维相比，纳米规模的纤维具有出色的强度、韧性和刚度。截止到目前，碳纳米管垫显示了最好的能量吸收，我们想看看我们是否能进一步提高它们的性能。”
为了做到这一点，科学家们对化学进行了修补，直到他们找到了成功的秘方。他们合成了凯夫拉尔纤维并将其少量纳入由碳纳米管组成的“垫子”中，两者的比例恰到好处，这使得纤维之间能过产生氢键。这些键的结果是性能的巨大飞跃。
Thevamaran表示：“氢键是一种动态键，这意味着它可以连续断裂并再次重新形成，这允许它通过这一动态过程耗散大量的能量。此外，氢键为这种相互作用提供了更多的硬度从而加强了纳米纤维垫的强度和硬度。当我们通过添加凯夫拉尔纤维来修改我们垫子中的界面相互作用时，我们能在某些超音速冲击速度下实现近100%的能量耗散性能改进。”
该团队使用一个微弹丸冲击测试系统对该材料进行了测试。据悉，该系统使用激光以不同的速度向材料样品发射微弹丸来展开测试。
Thevamaran介绍道：“我们的系统是这样设计的，我们实际上可以在显微镜下挑选一颗子弹并以一种非常可控的方式对目标进行射击，其速度可以从每秒100米一直到每秒超过1公里的速度变化。这使我们能在一个时间尺度上进行实验，我们可以观察材料的反应--当氢键相互作用发生时。”
实验表明，这种新型材料比凯夫拉织物和钢板更能保护人们免受高速冲击。这为高性能、超轻装甲材料提供了基础，而不仅仅是在防弹衣中。据研究人员介绍称，这种材料有可能让航天器吸收高速空间碎片的冲击。
【科学探索|科学家制造出优于凯夫拉尔纤维的轻质装甲材料】Thevamaran说道：“我们的纳米纤维垫表现出的保护性能远远超过了其他材料系统，而且重量也更轻。”