Fiber tre gånger starkare än Kevlar

Forskare väver in kolnanorör i en rekordslående skottsäker fiber

I mer än ett halvt sekel har aramidfibrer som Kevlar utgjort ryggraden i personligt ballistiskt skydd. Denna månad publicerade ett team ledst från Peking University en artikel som beskriver en ny aramidsammansatt fiber som i dynamiska tester når värden för styrka och energiupptagning långt bortom den nuvarande generationens skyddsfibrer. Författarna rapporterar dynamiska hållfasthetsvärden över 10 gigapascal och en dynamisk seghet över 700 megajoule per kubikmeter – ungefär dubbelt så mycket som det tidigare rekordet för energiupptagning och i praktiska termer flera gånger den skyddsförmåga som vissa Kevlar-tyger har.

Vad teamet skapade

Det nya materialet är en komposit av en heterocyklisk aramidpolymer och specialbehandlade långa enväggiga kolnanorör (förkortat tl-SWNT:er). Istället för att blanda de två komponenterna slumpmässigt, utformade forskarna kemin och spinnprocessen så att nanorören och polymerkedjorna riktas parallellt med fiberaxeln. Denna ordning på nanonivå är det avgörande framsteget: den låser samman de molekylära komponenterna så att belastningen bärs av kedjebrott istället för kedjeglidning, vilket gör att fibern kan absorbera enorma mängder energi innan den brister.

Hur de gjorde den både starkare och segare

Materialforskare har länge stått inför en avvägning: att göra polymerfibrer starkare gör dem vanligtvis sprödare, vilket minskar segheten. Gruppen vid Peking University tog sig an detta problem med en tvådelad strategi. Först modifierade de kemiskt och oxiderade svagt mycket långa enväggiga nanorör för att separera buntar och förbättra kompatibiliteten med polymermatrisen. För det andra använde de en flerstegs våtspinnings- och sträckningsprocess som först ökar flexibiliteten hos polymerkedjorna i lösning och sedan drar både nanorör och kedjor till hög inriktning under koagulering och varmsträckning. De inriktade nanorören fungerar som styva mallar som förbättrar belastningsöverföringen i gränsskiktet och minskar porositeten, vilket undertrycker kedjeglidning under höghastighetsbelastning. Resultatet är en fiber som samtidigt uppnår ultrahög dynamisk hållfasthet och rekordhög dynamisk seghet.

Rekordslående ballistisk prestanda

Vid ballistiska laboratorietester vävde teamet fibrerna till tyger som bara var några millimeter tjocka och utsatte dem för försök med höghastighetsnedslag. Komposittyget nådde en energiupptagning på cirka 706,1 MJ m⁻³, vilket författarna menar är mer än dubbelt så högt som det tidigare riktvärdet för makroskopiska polymerfibrer och ger det vävda materialet överlägsen antiballistisk prestanda jämfört med nuvarande skyddstextilier. Enkelt uttryckt kan materialet absorbera och sprida slagenergi långt effektivare än konventionella aramidtyger vid en liknande eller mindre tjocklek.

Varför detta spelar roll

Två praktiska egenskaper utmärker sig. För det första, eftersom fibrerna koncentrerar mekanisk prestanda i ett tunt tvärsnitt, skulle skyddskläder eller fordonspaneler i princip kunna göras lättare och mindre skrymmande utan att offra stoppförmågan. För det andra är produktionskonceptet – att förbättra inriktningen på nanonivå och belastningsöverföringen i gränsskiktet – en generellt användbar strategi som skulle kunna tillämpas på andra polymerbaserade skyddsmaterial. Det gör detta till mer än bara en kuriositet från laboratoriet; det är en demonstration av en väg för att överbrygga polymerkemi och förstärkning på nanonivå i en skalbar spinnprocess.

Realistiska begränsningar: tillverkning, kostnad och säkerhet

Som med många uppmärksammade materialgenombrott kvarstår betydande hinder innan man får se denna fiber i en skyddsväst eller flygplanspanel. Att producera långa, högkvalitativa enväggiga kolnanorör i industriell skala är fortfarande dyrt, och laboratorieprocessen som teamet rapporterat producerar för närvarande material i begränsade längder. Att överföra en våtspinnings- och flerstegssträckningssekvens från bänkskala till kilometerlånga spolar med jämn kvalitet kommer att kräva ny utrustning och processkontroll. Både forskarteamet och expertgranskningar noterar att uppskalning och kostnadsminskning är de främsta utmaningarna på kort sikt.

Regulatoriska överväganden och livscykel

Kroppsskydd är en reglerad produktklass: alla nya material måste klara standardiserade ballistiska tester och knivskyddstester, miljöexponeringstester och certifieringar innan de tas i bruk. Förekomsten av kolnanorör väcker också frågor om tillverkningssäkerhet och hantering vid slutet av livscykeln: anläggningar kommer att behöva hantera riskerna förknippade med hantering av nanopartiklar och utveckla metoder för återvinning eller kassering av sammansatt aramidavfall. Dessa steg lägger till tid och kostnader före driftsättning, även för material som presterar exceptionellt i laboratoriet.

Utsikter – från labbresultat till skyddsutrustning

Det är frestande att se en enskild uppsättning imponerande siffror som slutpunkten, men omsättning av materialforskning till praktik är en stegvis process. Arbetet visar en tydlig fysisk mekanism – nanorörsmallad inriktning som undertrycker kedjeglidning – och bevisar denna mekanism under dynamisk påverkan. Det ger ingenjörer och företag en ritning för att försöka skala upp produktionen. Om leveranskedjan för långa, rena nanorör mognar och spinnutrustningen anpassas, kan vägen leda till tunnare och lättare skyddssystem under det kommande decenniet. Fram till dess kommer Kevlar och andra industriella aramider att behålla sin plats eftersom de är beprövade, prisvärda och certifierade. Icke desto mindre förändrar de nya fibrerna landskapet: de visar att polymerkedjor fortfarande har outnyttjad mekanisk potential när de vägleds av förstärkning på nanonivå och noggrann bearbetning.

En försiktig optimism

Genombrott som halverar vikten eller fördubblar stoppförmågan skriver om tekniska förutsättningar, men de revolutionerar sällan marknader över en natt. För närvarande är rekordsiffrorna – dynamiska topphållfastheter över 10 GPa och en energiupptagning på runt 706 MJ m⁻³ – startpunkten för uppföljande arbete: processteknik, oberoende replikering, långtidstester och utveckling av leveranskedjor. De närmaste åren kommer att utvisa om detta framsteg i laboratorieskala kan bli ett praktiskt, certifierat material för polis, militär och civilt skydd, eller om det kommer att förbli en viktig vetenskaplig milstolpe som visar vägen för andra industriella lösningar.

Mattias Risberg är en Köln-baserad vetenskaps- och teknikreporter på Dark Matter, som bevakar material, halvledare och rymdpolitik.