碳纳米管可以给我们更强的Kevlar防弹背心吗?

Kevlar®由DuPont™(美国杜邦)化学家Stephanie Kwolek于1964年发现,是世界上最著名的纤维之一。从降落伞、滑雪板到轮胎和防弹背心,它都具有低重量、高强度、韧性和热稳定性。然而,当其用于高性能结构复合材料时,由于纤维与周围基质之间的粘附性差,它可能遭受破坏。改变纤维表面以改善粘合性通常需要多个加工步骤,但来自印度CSIR-国家物理实验室的研究人员声称,他们已经开发出更强的Kevlar复合材料,只需添加超长碳纳米管即可。

他们的研究发表在Carbon杂志上,其研究探索了多壁碳纳米管(MWCNTs)作为Kevlar环氧复合材料的二次强化作用。该团队测量了一系列材料带的最大拉伸强度和杨氏模量等性能,包括原始Kevlar、Kevlar环氧复合材料和五种Kevlar-MWCNT-环氧复合材料,每种复合材料含有不同重量百分比(wt%)的纳米管。这些纳米管合成在内部,平均长度为450μm。

在拉伸试验中,他们发现Kevlar织物在施加载荷方向上的纤维滑移逐渐失效。相比之下,当在复合材料中使用或不使用纳米管时, Kevlar的失效集中在一个点上。作者认为,添加树脂会限制纤维的相对运动,导致灾难性的点失效,这取决于环氧树脂的机械性能,而不是纤维的机械性能。

在复合材料中添加纳米管可以改善其在所有情况下的机械性能,但最佳性能的复合材料含有0.3 wt%的MWCNTs ,其最大拉伸强度比Kevlar-环氧复合材料要高约81%。为了研究纳米管长度对复合材料性能的影响,他们制造了与商业MWCNT相同的带样品,其比CSIR-NPL生产的样品短300倍。就杨氏模量和储能模量而言,长纳米管复合材料的性能优于用较短MWCNT制成的纳米管复合材料。

作者还测量了层状复合材料的机械性能,这些复合材料是通过堆叠带(Kevlar-epoxy和Kevlar-0.3%MWCNT-环氧树脂),并在真空、高压和高温下压缩而成。结果表明,纳米管复合材料的承载能力显著高于Kevlar环氧树脂,并且弯曲模量、杨氏模量和储能模量分别提高了~33%,~50%和~233%。

作者得出结论:“长MWCNT有助于负载分配”,通过“桥接效应”可改善基质刚度。