这种新型纤维强度比凯夫拉高出三倍

研究人员将碳纳米管编织成创纪录的防弹纤维

半个多世纪以来，诸如凯夫拉（Kevlar）之类的芳纶纤维一直是个人弹道防护的中流砥柱。本月，由北京大学领导的一个团队发表了一篇论文，描述了一种新型芳纶复合纤维，其在动态测试中的强度和能量吸收数值远超当前一代防护纤维。作者报告的动态强度值超过 10 吉帕（GPa），动态韧性超过 700 兆焦耳每立方米——大约是此前能量吸收纪录的两倍，从实际应用角度来看，其防护能力是某些凯夫拉织物的数倍。

团队研发成果

这种新材料是杂环芳纶聚合物与经过特殊处理的长单壁碳纳米管（缩写为 tl-SWNTs）的复合体。研究人员并未随机混合这两种成分，而是通过工程化化学手段和纺丝工艺，使纳米管和聚合物链平行于纤维轴排列。这种纳米级的有序化是一项关键突破：它将分子组件锁在一起，使应变由分子链断裂而非分子链滑移来承担，从而让纤维在失效前能吸收巨大的能量。

如何同时提升强度和韧性

材料科学家长期以来面临一个权衡：提高聚合物纤维的强度通常会使其变脆，从而降低韧性。北京大学团队通过两步走的方法解决了这一问题。首先，他们对超长单壁纳米管进行了化学改性和弱氧化，以分离管束并提高与聚合物基体的相容性。其次，他们采用了多级湿法纺丝和牵伸工艺，先增加溶液中聚合物链的柔韧性，然后在凝固和热拉伸过程中将纳米管和分子链拉成高度定向排列。定向排列的纳米管充当了刚性模板，改善了界面载荷传递并降低了孔隙率，从而抑制了高速加载过程中的链滑移。其结果是获得了一种同时实现超高动态强度和创纪录动态韧性的纤维。

创纪录的防弹性能

在实验室弹道测试中，团队将纤维织成仅几毫米厚的织物，并对其进行了高速冲击试验。这种复合织物的能量吸收达到了约 706.1 MJ m⁻³，作者表示，这比之前宏观聚合物纤维的基准提高了一倍以上，使该编织材料与目前使用的防护纺织品相比，具有更卓越的抗弹性能。简而言之，在相似或更薄的厚度下，该材料能比传统的芳纶织物更有效地吸收和分散冲击能量。

研究意义

有两个实际特征值得关注。首先，由于这种纤维在薄横截面中集成了极高的机械性能，原则上可以制造出更轻、更薄的防护服或车辆面板，且不牺牲阻截能力。其次，这种生产理念——改善纳米级定向和界面载荷传递——是一种通用的有用策略，可应用于其他聚合物基防护材料。这使得它不仅仅是一个实验室里的奇闻，而是展示了一条在可扩展纺丝工艺中衔接聚合物化学和纳米级增强的途径。

现实限制：制造、成本与安全性

与许多引人注目的材料突破一样，在这种纤维应用于巡逻背心或飞机面板之前，仍面临重大障碍。大规模工业化生产高质量的长单壁碳纳米管仍然价格昂贵，且该团队报告的实验室工艺目前生产的材料长度有限。将湿法纺丝、多级牵伸序列从实验台规模转化为质量稳定的公里级卷轴，将需要新的设备和工艺控制。研究团队和同行评议都指出，扩大规模和降低成本是近期的主要挑战。

监管与生命周期考量

防弹衣是一类受监管的产品：任何新材料在投入使用前都必须通过标准化的弹道和防刺测试、环境暴露试验以及各项认证。碳纳米管的存在也引发了关于制造安全和寿命终止处理的问题：工厂需要管理与纳米颗粒处理相关的风险，并为复合芳纶废料开发回收或处置途径。即使对于在实验室表现优异的材料，这些步骤在部署前也会增加时间和成本。

展望——从实验室成果到防护装备

人们很容易将一组令人印象深刻的数据视为终点，但材料转化是一个渐进的过程。这项工作展示了一个清晰的物理机制——纳米管模板诱导的定向抑制了链滑移——并在动态冲击下证明了该机制。这为工程师和公司尝试扩大生产规模提供了蓝图。如果长且洁净的纳米管供应链趋于成熟，且纺丝设备得到改进，这条路线可能会在未来十年催生出更薄、更轻的防护系统。在此之前，Kevlar 和其他工业芳纶仍将占据一席之地，因为它们经过了验证，价格适中且已获得认证。尽管如此，这种新型纤维改变了格局：它们表明，在纳米级增强和精细加工的引导下，聚合物链仍有尚未开发的机械潜力。

审慎的乐观

能使重量减半或防弹能力翻倍的突破重写了工程权衡，但它们很少能在一夜之间彻底改变市场。目前，这些头条数据——峰值动态强度超过 10 GPa，能量吸收约为 706 MJ m⁻³——是后续工作的起点：包括工艺工程、独立复制、长期测试和供应链开发。接下来的几年将展示这一实验室规模的进展能否成为警察、军事和民用防护领域的实用、认证材料，抑或它将作为一个重要的科学里程碑，为其他工业解决方案指明方向。

Mattias Risberg 是 Dark Matter 驻科隆的科技记者，关注材料、半导体和太空政策。