在防彈裝甲、車輛防護(hù)、航空航天等沖擊防護(hù)領(lǐng)域，纖維材料的動態(tài)強(qiáng)度與動態(tài)韌性是決定防護(hù)效果的關(guān)鍵性能指標(biāo)。然而，當(dāng)前廣泛使用的高分子纖維材料仍面臨著諸多挑戰(zhàn)：一方面，由于纖維內(nèi)部聚合物鏈取向度低、孔隙率高以及界面相互作用弱，使得其在受到外力沖擊時(shí)聚合物鏈易發(fā)生滑移，難以充分發(fā)揮材料本征強(qiáng)度與韌性。目前，高分子纖維的動態(tài)強(qiáng)度普遍低于8 GPa，動態(tài)韌性不足300 MJ·m–3，遠(yuǎn)未達(dá)到理想應(yīng)用水平。另一方面，材料科學(xué)中經(jīng)典的“強(qiáng)度-韌性悖論”使得同時(shí)提升材料的強(qiáng)度與韌性極為困難。這些因素嚴(yán)重制約了高分子纖維在沖擊防護(hù)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展。
近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院張錦院士團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院力學(xué)研究所吳先前研究員團(tuán)隊(duì)、武漢大學(xué)高恩來教授團(tuán)隊(duì)合作，提出“調(diào)控碳納米管取向分布+優(yōu)化纖維多級結(jié)構(gòu)”的創(chuàng)新策略。研究團(tuán)隊(duì)通過分子鏈設(shè)計(jì)與多級牽伸技術(shù)的協(xié)同，將少量改性長碳納米管引入新型雜環(huán)芳綸體系，成功實(shí)現(xiàn)碳納米管/雜環(huán)芳綸復(fù)合纖維在動態(tài)強(qiáng)度與動態(tài)韌性方面的協(xié)同大幅提升。
研究團(tuán)隊(duì)首先對長碳納米管進(jìn)行改性處理，并將含醚單體引入傳統(tǒng)雜環(huán)芳綸體系中；隨后設(shè)計(jì)并實(shí)施多級牽伸工藝，含醚單體的引入顯著提高了凝固浴牽伸倍率，促使碳納米管與雜環(huán)芳綸分子鏈實(shí)現(xiàn)高度取向排列，從而優(yōu)化了纖維的多級結(jié)構(gòu)。多級結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改善了界面相互作用，提高了載荷傳遞效率，進(jìn)而在高速沖擊下抑制了分子鏈滑移，促使其發(fā)生斷裂，充分發(fā)揮材料性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在1600 s–1的高應(yīng)變率加載條件下，所制備的碳納米管/雜環(huán)芳綸復(fù)合纖維動態(tài)強(qiáng)度高達(dá)10 GPa，動態(tài)韌性達(dá)到700 MJ·m–3。此外，經(jīng)過放量制備，由該復(fù)合纖維編織而成的織物亦展現(xiàn)出優(yōu)異的沖擊防護(hù)性能，為其規(guī)模化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果以“Aramid fibers with dynamic strength up to 10 GPa and dynamic toughness up to 700 MJ m–3”為題，發(fā)表于國際知名期刊《Matter》。該成果獲得《新聞周刊》（Newsweek）、《新科學(xué)家》（New Scientist）等多家國內(nèi)外媒體報(bào)道，并獲《新科學(xué)家》頭條刊載，體現(xiàn)了國際學(xué)術(shù)界對該研究的廣泛關(guān)注。
圖1. 本研究論文在《Matter》期刊的發(fā)表頁面
圖2. 本研究成果獲《New Scientist》期刊頭條報(bào)道
圖3. 碳納米管/雜環(huán)芳綸復(fù)合纖維的制備、力學(xué)性能與增強(qiáng)機(jī)理示意圖
圖4. 碳納米管/雜環(huán)芳綸復(fù)合纖維織物
作者信息
北京大學(xué)張錦院士、北京石墨烯研究院高振飛研究員、北京大學(xué)焦琨高級工程師、中國科學(xué)院力學(xué)研究所吳先前研究員和武漢大學(xué)高恩來教授為論文共同通訊作者。北京大學(xué)羅家俊博士、中國科學(xué)院力學(xué)研究所雷旭東博士、武漢大學(xué)博士生賈向正和北京大學(xué)博士生李夢蝶為論文共同第一作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、深圳市孔雀計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102496
