Дослідники в Пекіні створили волокно нового покоління, яке може перевизначити стандарти балістичного захисту
Науковці з Пекіна розробили композитне волокно нового покоління, яке може докорінно змінити підхід до балістичного захисту. Новий матеріал, посилений нанотрубками, поглинає більше енергії на одиницю об’єму, ніж кевлар — встановивши рекорд 706,1 мегаджоулів на кубічний метр для захисних волокон.
Волокно поєднує вдосконалений арамід із довгими вуглецевими нанотрубками, які вирівняні так, щоб рівномірно розподіляти силу удару. Початкові випробування тканини показали вищі антибалістичні характеристики, ніж у сучасних захисних матеріалів.
Міцність волокон із нанотрубками
Дослідження очолював доктор Цзінь Чжан, професор Пекінського університету, який спеціалізується на вуглецевих наноматеріалах і високопродуктивних волокнах.
Зазвичай високоефективні волокна мають складний компроміс: динамічна міцність (стійкість до руйнування при дуже швидкому навантаженні) зростає, коли ланцюги щільно упаковані, але це робить матеріал більш крихким.
У 2023 році ця ж команда показала, що невелика домішка коротких амінованих вуглецевих нанотрубок може одночасно підвищити і міцність, і пластичність у схожій арамідній системі. Це стало основою для нинішнього підходу з використанням довших нанотрубок.
Нове дослідження виходить за межі статичних випробувань і зосереджується на тому, як волокно поводиться під час швидких ударів — саме тоді вирівнювання і розподіл енергії мають найбільше значення.
Як створюють волокна з нанотрубками
Базою є арамід — міцне, термостійке полімерне волокно, яке широко використовується у захисному спорядженні. У цьому випадку це гетероциклічний варіант, розроблений для підвищених експлуатаційних характеристик. Гетероциклічна структура надає молекулярним ланцюгам додаткової жорсткості та термостабільності, покращуючи передачу навантаження під час швидких ударів.
Підсилюючим елементом є вуглецева нанотрубка — порожнистий циліндр з атомів вуглецю з унікальною жорсткістю й міцністю. Команда використала довгі одностінні нанотрубки, які зв’язують між собою численні полімерні ланцюги.
Вони пом’якшили базовий арамід, а потім розтягнули композит у кілька етапів, щоб вирівняти обидва компоненти. Цей процес зменшив пористість і покращив контакт між полімерними ланцюгами та нанотрубками. Краща орієнтація дозволяє навантаженням швидше передаватися між полімером і нанотрубкою, зменшуючи слабкі місця, де можуть утворюватися тріщини.
Значення вирівнювання
Під час швидкого удару волокна повинні розподіляти напругу до того, як зламається окремий сегмент. Вирівняна структура збільшує міжфазні взаємодії — сили, які дозволяють одному компоненту «тримати» інший і передавати навантаження далі.
Команда зазначає, що така структура зменшує ковзання ланцюгів і змушує більше ланцюгів нести навантаження перед розривом — саме тому здатність до поглинання енергії зростає, а не падає.
“Надвисока динамічна міцність і пластичність мають вирішальне значення для волоконних матеріалів у системах ударного захисту,”
— пише Цзядзюнь Луо, перший автор дослідження.
Результати випробувань
При високошвидкісному навантаженні волокно досягло динамічної міцності 10,3 гігапаскаля. У вигляді тканини воно перевершило сучасні захисні матеріали в антибалістичних тестах, що свідчить про реальний потенціал для застосування.
Хоча ці випробування не є офіційною сертифікацією, вони відтворюють типи швидкісних ударів, яким повинна протистояти броня. Схожі результати отримані і для вуглецевих нанотрубкових волокон (CNF), які при правильному вирівнюванні демонструють динамічну міцність до 14 ГПа. Нове дослідження застосовує ті ж фізичні принципи всередині арамідного композиту.
Що це означає для захисного спорядження
Тонші панелі, які зупиняють більшу кількість енергії, дозволять зменшити вагу та об’єм бронежилетів і шоломів, що покращить комфорт, тепловідведення і тривалість носіння під час змін. Кевлар досі залишається перевіреним стандартом — він міцний, легкий і термостійкий. Але волокно, яке поглинає більше енергії при меншій товщині, дозволить інженерам переглянути кількість шарів, необхідних для захисту.
Втім, масштабування виробництва не буде простим: потрібно зберегти рівномірний розподіл нанотрубок, точне вирівнювання та мінімум дефектів на промислових довжинах. Вартість залежатиме від постачання нанотрубок і контролю процесів. Перехід від лабораторних зразків до промислових обсягів вимагає інвестицій і часу.
Подальші кроки
Довговічність матеріалу під впливом сонячного світла, поту та тепла визначить, як швидко він зможе потрапити на ринок. Араміди втрачають міцність при тривалому ультрафіолетовому опроміненні, тому знадобляться захисні покриття та спеціальні структури тканини.
Конструкція бронепакетів також залежить від способу укладання шарів і типу прошивки, а не лише від властивостей волокон. Інженери повинні перевірити, чи не створює вирівнювання напрямних ефектів, що потребують особливих схем плетіння. Фізика зрозуміла: якщо фабрики зможуть відтворити вирівнювання й низьку пористість у масштабах виробництва, захисне спорядження стане легшим без втрати безпеки.
Дослідження опубліковане в журналі Matter.
