重量通常是科學家們推動防彈材料邊界的一個關鍵考慮因素，他們想象的盔甲在保證穿戴者安全的同時也能提高他們的機動性。來自威斯康星大學麥迪遜分校的工程師們現在已經製造出一種新型超輕裝甲材料，被稱為“納米纖維墊”，它具有獨特的化學特性從而使其性能優於凱夫拉爾纖維和鋼。
這種新型裝甲的基礎是厚度只有一個原子的微小碳柱。這些被稱為碳納米管，從晶體管研究到治療視力下降再到炸彈探測裝置，該種材料已經顯示出作為下一代材料的發展前景。
在調整碳納米管用於裝甲材料時，這項新研究的作者們採用了多壁版的碳納米管並將其跟凱夫拉爾納米纖維相結合。這個想法則是在早期研究的基礎上–證明這些材料在吸收衝擊方面的潛力，以看看它們是否可以被塑造成一個更加實用的護甲解決方案。
領導這項研究的Ramathasan Thevamaran說道：“納米纖維材料對保護性應用非常有吸引力，因為跟宏觀規模的纖維相比，納米規模的纖維具有出色的強度、韌性和剛度。截止到目前，碳納米管墊顯示了最好的能量吸收，我們想看看我們是否能進一步提高它們的性能。”
為了做到這一點，科學家們對化學進行了修補，直到他們找到了成功的秘方。他們合成了凱夫拉爾纖維並將其少量納入由碳納米管組成的“墊子”中，兩者的比例恰到好處，這使得纖維之間能過產生氫鍵。這些鍵的結果是性能的巨大飛躍。
Thevamaran表示：“氫鍵是一種動態鍵，這意味着它可以連續斷裂並再次重新形成，這允許它通過這一動態過程耗散大量的能量。此外，氫鍵為這種相互作用提供了更多的硬度從而加強了納米纖維墊的強度和硬度。當我們通過添加凱夫拉爾纖維來修改我們墊子中的界面相互作用時，我們能在某些超音速衝擊速度下實現近100%的能量耗散性能改進。”
該團隊使用一個微彈丸衝擊測試系統對該材料進行了測試。據悉，該系統使用激光以不同的速度向材料樣品發射微彈丸來展開測試。
Thevamaran介紹道：“我們的系統是這樣設計的，我們實際上可以在顯微鏡下挑選一顆子彈並以一種非常可控的方式對目標進行射擊，其速度可以從每秒100米一直到每秒超過1公里的速度變化。這使我們能在一個時間尺度上進行實驗，我們可以觀察材料的反應–當氫鍵相互作用發生時。”
實驗表明，這種新型材料比凱夫拉織物和鋼板更能保護人們免受高速衝擊。這為高性能、超輕裝甲材料提供了基礎，而不僅僅是在防彈衣中。據研究人員介紹稱，這種材料有可能讓航天器吸收高速空間碎片的衝擊。
Thevamaran說道：“我們的納米纖維墊表現出的保護性能遠遠超過了其他材料系統，而且重量也更輕。”