领导这项研究的威斯康星大学麦迪逊分校工程物理学助理教授 Ramathasan Thevamaran 说：“我们的纳米纤维垫表现出的保护性能远远超过其他材料系统，而且重量更轻。”他和他的合作者在最近发表在ACS Nano杂志上的一篇论文中详细介绍了这一进展。
为了制造这种材料，Thevamaran 和博士后研究员 Jizhe Cai 将多壁碳纳米管（每层只有一个原子厚的碳圆柱体）与 Kevlar 纳米纤维混合在一起。由此产生的纳米纤维垫在消散速度超过音速的微小弹丸的冲击力方面表现出色。
这一进展为碳纳米管在轻质、高性能装甲材料中的应用奠定了基础，例如，用于防弹背心以更好地保护佩戴者或用于航天器周围的防护罩以减轻高速飞行微碎片造成的损害。“纳米纤维材料对于防护应用非常有吸引力，因为与宏观纤维相比，纳米纤维具有出色的强度、韧性和刚度，”Thevamaran 说。“到目前为止，碳纳米管垫的能量吸收效果最好，我们想看看我们是否可以进一步提高它们的性能。”
他们找到了正确的化学反应。该团队合成了凯夫拉尔纳米纤维，并将其中的少量加入到他们的碳纳米管垫中，从而在纤维之间形成了氢键。这些氢键改变了纳米纤维之间的相互作用，并且与凯夫拉尔纳米纤维和碳纳米管的正确混合物一起，导致了整体材料性能的巨大飞跃。“氢键是一种动态键，这意味着它可以不断地断裂并再次重新形成，使其能够通过这个动态过程耗散大量能量，”Thevamaran 说。“此外，氢键为这种相互作用提供了更大的刚度，从而加强和硬化了纳米纤维垫。当我们通过添加凯夫拉尔纳米纤维来改变垫子中的界面相互作用时，我们能够在某些情况下实现近 100% 的能量耗散性能改进。超音速撞击速度。”带上子弹。研究人员在 Thevamaran 的实验室中使用激光诱导的微粒冲击测试系统测试了他们的新材料。该系统是美国为数不多的类似系统之一，它使用激光将微型子弹射入材料样本中。“我们的系统的设计使得我们实际上可以在显微镜下挑选一颗子弹，并以非常可控的方式将其射向目标，速度非常可控，可以从每秒 100 米一直变化到超过 1 公里每秒，”Thevamaran 说。“这使我们能够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。”
除了抗冲击性外，新型纳米纤维材料的另一个优点是，与 Kevlar 一样，它在非常高和非常低的温度下都很稳定，因此可用于各种极端环境中的应用。