Волокно в три раза прочнее кевлара

Исследователи вплели углеродные нанотрубки в рекордное пуленепробиваемое волокно

На протяжении более полувека арамидные волокна, такие как Kevlar, составляли основу средств индивидуальной баллистической защиты. В этом месяце группа ученых под руководством специалистов из Peking University опубликовала работу с описанием нового арамидного композитного волокна, которое в ходе динамических испытаний демонстрирует показатели прочности и энергопоглощения, значительно превосходящие нынешнее поколение защитных волокон. Авторы сообщают о значениях динамической прочности выше 10 гигапаскалей и динамической ударной вязкости выше 700 мегаджоулей на кубический метр — это примерно вдвое больше предыдущего рекорда энергопоглощения и, в практическом плане, в несколько раз превышает защитные возможности некоторых тканей из Kevlar.

Что создала группа ученых

Новый материал представляет собой композит гетероциклического арамидного полимера и специально обработанных длинных одностенных углеродных нанотрубок (сокращенно tl‑SWNTs). Вместо беспорядочного смешивания двух компонентов исследователи разработали химический состав и процесс формования таким образом, чтобы нанотрубки и полимерные цепи выстраивались параллельно оси волокна. Это упорядочивание на наноуровне является важнейшим достижением: оно «запирает» молекулярные компоненты вместе, благодаря чему нагрузка передается через разрыв цепей, а не их проскальзывание, что позволяет волокну поглощать огромное количество энергии перед разрушением.

Как удалось одновременно повысить прочность и вязкость

Материаловеды давно сталкиваются с дилеммой: повышение прочности полимерных волокон обычно делает их более хрупкими, что снижает вязкость. Группа из Peking University подошла к решению этой проблемы в два этапа. Во-первых, они химически модифицировали и подвергли слабому окислению очень длинные одностенные нанотрубки, чтобы разделить пучки и улучшить совместимость с полимерной матрицей. Во-вторых, они применили многостадийный процесс мокрого формования и вытяжки, который сначала повышает гибкость полимерных цепей в растворе, а затем выравнивает как нанотрубки, так и цепи в ходе коагуляции и горячей вытяжки. Выровненные нанотрубки действуют как жесткие шаблоны, которые улучшают межфазный перенос нагрузки и снижают пористость, подавляя проскальзывание цепей при высокоскоростном нагружении. В результате получилось волокно, которое одновременно обладает сверхвысокой динамической прочностью и рекордной динамической вязкостью.

Рекордные баллистические характеристики

В ходе лабораторных баллистических испытаний группа соткала из волокон полотна толщиной всего несколько миллиметров и подвергла их испытаниям на высокоскоростной удар. Композитная ткань достигла показателя энергопоглощения около 706,1 МДж м⁻³, что, по словам авторов, более чем в два раза превышает предыдущий эталон для макроскопических полимерных волокон и обеспечивает тканому материалу превосходные антибаллистические характеристики по сравнению с используемыми сейчас защитными текстильными материалами. Проще говоря, этот материал способен поглощать и рассеивать энергию удара гораздо эффективнее, чем традиционные арамидные ткани при аналогичной или меньшей толщине.

Почему это важно

Выделяются две практические особенности. Во-первых, поскольку волокна обеспечивают высокие механические характеристики при тонком поперечном сечении, защитную одежду или панели транспортных средств можно, в принципе, сделать легче и менее объемными без ущерба для останавливающей способности. Во-вторых, сама концепция производства — улучшение наноразмерного выравнивания и межфазного переноса нагрузки — является универсальной стратегией, которую можно применить к другим полимерным защитным материалам. Это делает разработку чем-то большим, чем просто лабораторный курьез; это демонстрация пути, позволяющего объединить химию полимеров и наноразмерное армирование в масштабируемом процессе формования.

Реалистичные ограничения: производство, стоимость и безопасность

Как и в случае со многими громкими прорывами в области материалов, на пути к появлению этого волокна в патрульном жилете или авиационной панели стоят значительные препятствия. Производство длинных высококачественных одностенных углеродных нанотрубок в промышленных масштабах по-прежнему обходится дорого, а лабораторный процесс, описанный группой, в настоящее время позволяет получать материал ограниченной длины. Перенос последовательности многостадийного мокрого формования и вытяжки с лабораторного уровня на катушки километровой длины со стабильным качеством потребует нового оборудования и контроля процессов. Как исследовательская группа, так и рецензенты отмечают, что масштабирование и снижение стоимости являются основными краткосрочными задачами.

Нормативные аспекты и жизненный цикл

Бронежилеты — это регламентированный класс продукции: любой новый материал должен пройти стандартизированные испытания на баллистическую стойкость и прокол, испытания на воздействие окружающей среды и сертификацию перед внедрением. Присутствие углеродных нанотрубок также вызывает вопросы о безопасности производства и утилизации: предприятиям необходимо будет управлять рисками, связанными с обращением с наночастицами, и разрабатывать пути переработки или утилизации композитных арамидных отходов. Эти шаги требуют времени и средств до начала эксплуатации, даже для материалов, которые демонстрируют исключительные результаты в лаборатории.

Перспективы — от лабораторного результата до защитного снаряжения

Велик соблазн рассматривать впечатляющие цифры как конечную точку, но внедрение материалов — это постепенный процесс. Работа демонстрирует четкий физический механизм — выравнивание по шаблону нанотрубок, подавляющее проскальзывание цепей, — и доказывает действие этого механизма при динамическом ударе. Это дает инженерам и компаниям план действий для попытки масштабирования. Если цепочка поставок длинных чистых нанотрубок сформируется, а прядильное оборудование будет адаптировано, этот путь может привести к созданию более тонких и легких систем защиты в ближайшее десятилетие. До тех пор Kevlar и другие промышленные арамиды сохранят свои позиции, поскольку они проверены, доступны по цене и сертифицированы. Тем не менее, новые волокна меняют ситуацию: они показывают, что полимерные цепи все еще обладают неиспользованным механическим потенциалом, если направлять их с помощью наноразмерного армирования и тщательной обработки.

Осторожный оптимизм

Прорывы, которые вдвое снижают вес или удваивают останавливающую способность, меняют инженерные компромиссы, но они редко совершают революцию на рынках в одночасье. На данный момент рекордные показатели — пиковая динамическая прочность выше 10 ГПа и энергопоглощение около 706 МДж м⁻³ — являются отправной точкой для последующей работы: проектирования процессов, независимого воспроизведения, долгосрочных испытаний и развития цепочки поставок. Ближайшие несколько лет покажут, сможет ли это достижение лабораторного масштаба стать практичным сертифицированным материалом для полиции, военных и гражданской защиты, или же оно останется важной научной вехой, указывающей путь для других промышленных решений.

Маттиас Рисберг — проживающий в Кельне научный и технический репортер издания Dark Matter, специализирующийся на материалах, полупроводниках и космической политике.