解讀納米纖維在防彈防爆領域的應用

　　防彈（爆）裝備最令人鼓舞的改進，莫過于更輕便、更薄和更強。高性能纖維，如對位芳香族聚酰胺纖維（p－ARF）和超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPEF）等的應用，使得防彈（爆）裝備向柔性、更輕便、更薄、更強方向發展成為可能。近年來，納米纖維，如石墨烯和石墨烯纖維、碳納米管和碳納米管纖維、氧化鋁纖維等在防彈防爆領域的應用受到關注，研究發現，其與上述防彈纖維復合使用可提高其綜合性能。

　　石墨烯

　　石墨烯（GP）因為其平面厚度近乎原子級，研究人員可控制和駕馭其性能。美國萊斯大學和馬薩諸塞大學在國防威脅降低局的支持下進行了石墨烯抗沖擊性能研究，以驗證石墨烯在彈丸沖擊時的吸能性。微觀彈道測試結果表明，一顆微小的硅粒以3000m/s的速度射向多層石墨烯（厚度約10～100nm），石墨烯能迅速分散沖擊力，中斷通過材料的外展波。其吸收入射能量的能力比鋼強10倍，是Kevlar®纖維的2倍。將石墨烯與其它輕質高強材料復合，有望獲得高性能輕型裝甲系統。澳大利亞臥龍崗大學研究人員將石墨烯和碳納米管加入聚合物中，以濕法紡絲工藝紡制纖維，發現該石墨烯基纖維與現有的Kevlar®抗彈纖維相比，具有更高的強韌性，將有望替代現有抗彈纖維體系。

　　碳納米管

　　碳納米管是迄今為止發現的力學性能最好的材料之一，有著極高的拉伸強度和斷裂伸長率。美國已經制定了開展超高強度碳納米管纖維在防護領域的應用研究發展戰略，計劃制造出輕質、超高強度、柔軟的碳納米管纖維和織物，并實現大規模制造。位于加拿大多倫多的男裝定制品牌Garrison Bespoke推出的首套時尚防彈西裝定制價格高達2萬美元，由Garrison Bespoke與美國第19特種部隊（US 19th Special Forces）合作開發，采用了與美軍在伊拉克戰爭中所穿防彈衣相同的材料——碳納米管材料，據稱比采用Kevlar®的防彈衣還輕50%，可以阻止常用的9mm、.22和.45口徑手槍的射擊。

　　氧化鋁納米纖維

　　美國ANF 技術公司開發了將氧化鋁納米纖維（AONF）分散至樹脂體系的專利技術，商品名為Nafen，樹脂包括環氧樹脂、聚氨酯和酚醛樹脂。AONF非采用高能耗的靜電紡絲技術生產，而是在熔融鋁表面上長出來的，因此不像納米硅、CNT和某些納米材料那般易凝聚和難分散。

　　氧化鋁具有很高的固有強度，是僅次于金剛石的最硬物質之一，復合入樹脂中可改進其力學性能，而添加AONF可提高復合材料的層間剪切強度、彎曲韌性和抗沖擊強度。這種復合材料當受攻擊開始開裂時，由于沖擊能在分子水平上就被十字形網格所吸收，因此可阻止裂紋漫延，正如納米纖維的3D網格混入該體系一樣。

　　Alchemie集團將Nafen混入環氧樹脂中，并與其AuTxTM紗或紡織品結合起來制成胄甲復合材料。其為美國國防部生產的作戰背心通過采用AuTxTM而使防爆組合體的重量減輕27%，現進一步用AuTxTM復合材料減輕了軍隊頭盔的重量。Purdue大學的測試確認AuTxTM具有2倍于芳香族聚酰胺纖維如Kevlar® KM2和Twaron50f1000的韌性，含Nafen粒子的防彈復合材料樣品，用V50子彈測試時，其性能比對位芳綸防彈復合材料改善20%～40%。

AuTxTM的預成型體在－8 ～ 124 ℃內具有極高的模量并可保留韌性，這樣就可能改變環氧樹脂體系的樹脂含量，使防彈陶瓷面復合材料的前方比后方可接受更多的樹脂增強體，而對采用UHMWPEF來說改變樹脂是不可能的。