Секрет суперволокна — в особом вплетении углеродных нанотрубок.
Кевлар обрел наконец конкурента. Десятилетиями он оставался золотым стандартом в области защиты от ударов — от бронежилетов до бронетехники — и до сих пор широко используется. Но теперь разработан новый композитный материал, который прочнее, жестче и лучше останавливает пули при значительно меньшей толщине.
Чтобы противостоять высокоскоростным воздействиям, таким как выстрел, материал должен обладать сопротивлением к разрушению под нагрузкой (высокой прочностью) и способностью поглощать большое количество энергии без разрушения или потери защитных свойств (высокой ударной вязкостью). Существующие решения, такие как изготовленный из арамидных волокон кевлар, ограничены весьма существенным недостатком. Чем прочнее пытаются сделать нити, тем более хрупкими они получаются. Добиться высоких показателей по обоим параметрам невозможно. Это классический компромисс в материаловедении при попытке улучшить общие характеристики материала.
Шаги к созданию суперволокна
Поиски решения заняли шесть лет. Результатом стала комбинация двух материалов: гетероциклического арамида (высокопрочное волокно, аналогичное кевлару) и обработанных длинных углеродных нанотрубок (tl-SWNTs) — необычайно жестких и легких, с толщиной много меньше человеческого волоса.
Прорывом, однако, стало не столько правильно подобранное сочетание нитей, сколько способ их ориентации. Разработчики добились, чтобы волокна арамида и углеродные нанотрубки были прямыми и параллельными друг другу. Это достигнуто за счет повышения гибкости базового арамидного волокна с последующим многоэтапным процессом растяжения для идеального выравнивания полимерных цепей и нанотрубок. Такая ориентация принципиально важна, поскольку она настолько плотно фиксирует компоненты, что при ударе они не скользят друг по другу. Таким образом, материал способен поглощать больше энергии без разрушения.
Преимущества перед кевларом
Новый материал подвергли высокоскоростным испытаниям, включая баллистические тесты, аналогичные проверке бронежилетов. С результатами можно ознакомиться на страницах журнала Matter.
Новинка продемонстрировала динамическую прочность, значительно превосходящую существующие волокна, а ее способность поглощать энергию более чем вдвое превысила предыдущий рекорд, достигнув 706,1 МДж·м⁻³. При изготовлении ткани это новое суперволокно показало превосходные антибаллистические характеристики по сравнению с современными защитными материалами.
«Наше исследование не только представляет эффективную стратегию создания арамидных волокон с ультравысокой динамической прочностью и рекордной ударной вязкостью, но и предлагает новое понимание механизмов», — резюмировали авторы в своей статье.
В перспективе, если это волокно найдет применение, оно может сделать средства защиты будущего значительно легче, тоньше и безопаснее.