纳米纤维在防弹防爆领域的应用
发表时间:2018-01-16      发表评论()

  防弹(爆)装备最令人鼓舞的改进,莫过于更轻便、更薄和更强。高性能纤维,如对位芳香族聚酰胺纤维(p-ARF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPEF)等的应用,使得防弹(爆)装备向柔性、更轻便、更薄、更强方向发展成为可能。近年来,纳米纤维,如石墨烯和石墨烯纤维、碳纳米管和碳纳米管纤维、氧化铝纤维等在防弹防爆领域的应用受到关注,研究发现,其与上述防弹纤维复合使用可提高其综合性能。

  石墨烯

  石墨烯(GP)因为其平面厚度近乎原子级,研究人员可控制和驾驭其性能。美国莱斯大学和马萨诸塞大学在国防威胁降低局的支持下进行了石墨烯抗冲击性能研究,以验证石墨烯在弹丸冲击时的吸能性。微观弹道测试结果表明,一颗微小的硅粒以3000m/s的速度射向多层石墨烯(厚度约10~100nm),石墨烯能迅速分散冲击力,中断通过材料的外展波。其吸收入射能量的能力比钢强10倍,是Kevlar®纤维的2倍。将石墨烯与其它轻质高强材料复合,有望获得高性能轻型装甲系统。澳大利亚卧龙岗大学研究人员将石墨烯和碳纳米管加入聚合物中,以湿法纺丝工艺纺制纤维,发现该石墨烯基纤维与现有的Kevlar®抗弹纤维相比,具有更高的强韧性,将有望替代现有抗弹纤维体系。

  碳纳米管

  碳纳米管是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一,有着极高的拉伸强度和断裂伸长率。美国已经制定了开展超高强度碳纳米管纤维在防护领域的应用研究发展战略,计划制造出轻质、超高强度、柔软的碳纳米管纤维和织物,并实现大规模制造。位于加拿大多伦多的男装定制品牌Garrison Bespoke推出的首套时尚防弹西装定制价格高达2万美元,由Garrison Bespoke与美国第19特种部队(US 19th Special Forces)合作开发,采用了与美军在伊拉克战争中所穿防弹衣相同的材料——碳纳米管材料,据称比采用Kevlar®的防弹衣还轻50%,可以阻止常用的9mm、.22和.45口径手枪的射击。

  氧化铝纳米纤维

  美国ANF 技术公司开发了将氧化铝纳米纤维(AONF)分散至树脂体系的专利技术,商品名为Nafen,树脂包括环氧树脂、聚氨酯和酚醛树脂。AONF非采用高能耗的静电纺丝技术生产,而是在熔融铝表面上长出来的,因此不像纳米硅、CNT和某些纳米材料那般易凝聚和难分散。

  氧化铝具有很高的固有强度,是仅次于金刚石的最硬物质之一,复合入树脂中可改进其力学性能,而添加AONF可提高复合材料的层间剪切强度、弯曲韧性和抗冲击强度。这种复合材料当受攻击开始开裂时,由于冲击能在分子水平上就被十字形网格所吸收,因此可阻止裂纹漫延,正如纳米纤维的3D网格混入该体系一样。

  Alchemie集团将Nafen混入环氧树脂中,并与其AuTxTM纱或纺织品结合起来制成胄甲复合材料。其为美国国防部生产的作战背心通过采用AuTxTM而使防爆组合体的重量减轻27%,现进一步用AuTxTM复合材料减轻了军队头盔的重量。Purdue大学的测试确认AuTxTM具有2倍于芳香族聚酰胺纤维如Kevlar® KM2和Twaron50f1000的韧性,含Nafen粒子的防弹复合材料样品,用V50子弹测试时,其性能比对位芳纶防弹复合材料改善20%~40%。

  AuTxTM的预成型体在-8 ~ 124 ℃内具有极高的模量并可保留韧性,这样就可能改变环氧树脂体系的树脂含量,使防弹陶瓷面复合材料的前方比后方可接受更多的树脂增强体,而对采用UHMWPEF来说改变树脂是不可能的。

稿件来源:纺织导报
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