科学家创造出高强度纳米纤维材料 耐热性比凯夫拉好20倍

摘要:

据外媒报道,凯夫拉(Kevlar)和特瓦伦(Twaron)是著名的坚韧材料,但在强度、耐热性和重量之间需要做出一点权衡。现在,哈佛大学的研究人员已经创造了一种新的纳米纤维版本的材料,它具有同样的强度,但更加隔热。

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Kevlar和Twaron的保护性能来自于它们的分子结构,而改变这种结构就会改变它们的有效作用。对于机械打击,如防弹背心,材料会呈现出高度有序的结构,从而使其能够重新分配力量。保温材料具有更多的多孔结构,可以最大限度地减少通过的热量。

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通常情况下,由于材料的基本特性,设计用于保护肢体免受极端温度和伴随爆炸的致命弹丸的设备一直很困难。强度足以抵御弹道威胁的材料无法抵御极端温度,反之亦然。结果,当今的大部分防护装备是由多层不同的材料组成的,从而导致笨重而沉重的装备,如果戴在手臂和腿上,将严重限制士兵的行动能力。现在研究人员开始将两种类型的材料合二为一。

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"我们的目标是设计一种多功能材料,能够保护在极端环境中工作的人,如宇航员、消防员或士兵,免受他们面临的许多不同威胁,"该研究的第一作者Grant Gonzalez说。为此,研究人员需要将这两种类型的分子结构--高度有序而又多孔--结合到一种材料中。它是用一种叫做浸泡式旋转喷射纺丝(iRJS)的工艺制成的。基本上,一个装置旋转并迫使液态聚合物溶液通过一个小孔流出,形成长长的聚合物链。它撞上了钉在离心机壁上的液浴,并凝固。然后,这些固体线聚集在基地周围。

研究人员能够调整起始聚合物液体的粘度,使最终的线程具有所需的特性。最后,他们能够生产出长长的、排列整齐的纳米纤维片,它们之间有很多孔隙。下一步,他们必须测试纳米纤维片是否真的对弹道和热量都有保护作用。在向堆叠的片材发射类似BB弹的弹丸的测试中,研究小组发现,新材料和普通的Twaron编织材料一样耐用。

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在热测试中,研究人员发现新材料的隔热性能比商用Twaron和Kevlar好20倍左右。使用目前的设置,该团队可以在10分钟左右的时间内纺出尺寸约为10×30厘米(3.9×11.8英寸)的薄片,但如果扩大生产规模,这可能会得到改善。

“虽然还有改进的余地,但我们已经突破了可能的界限,并开始向这种多功能材料领域发展,”Gonzalez说。

该研究发表在《Matter》杂志上。

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