2022-08-22 06:30

多功能纳米纤维防爆炸-用于士兵,消防队员,宇航员和更多

Nanofiber Sheets Atop Twaron

碎片模拟弹丸测试后,para -芳纶纳米纤维片在Twaron®片上。图片来源:Grant Gonzalez/Harvard SEAS

自第一次世界大战以来,绝大多数美国战斗伤亡不是来自枪伤,而是来自爆炸。如今,大多数士兵都穿着厚重的防弹背心来保护自己的身体,但他们的大部分身体仍然暴露在爆炸碎片和弹片的任意瞄准下。

由于材料的一种基本特性,设计设备来保护肢体免受极端温度和爆炸带来的致命弹丸的伤害一直是困难的。足以抵御弹道威胁的材料无法抵御极端温度,反之亦然。因此,当今的许多防护装备是由多层不同的材料组成的,导致笨重的装备,如果戴在胳膊和腿上,将严重限制士兵的行动能力。

现在,哈佛大学的研究人员与美国陆军作战能力发展指挥士兵中心(CCDC SC)和西点军校合作,开发了一种轻量级、多功能的纳米纤维材料,可以保护穿戴者免受极端温度和弹道威胁。

这项研究发表在杂志上事.Melt Test Nanofibers

哈佛大学的研究人员与美国陆军作战能力发展指挥士兵中心(CCDC SC)和西点军校合作,开发了一种轻量级、多功能的纳米纤维材料,可以保护穿戴者免受极端温度和弹道威胁。图片来源:Grant Gonzalez/Harvard SEAS

“当我在阿富汗作战时,我亲眼目睹了防身衣是如何拯救生命的,”资深作者Kit Parker说,他是哈佛大学约翰·a·保尔森工程和应用科学学院塔尔家族生物工程和应用物理学教授,也是美国陆军预备役中校。“我还看到了厚重的防弹衣是如何限制行动的。作为战场上的士兵,主要的三个任务是移动、射击和沟通。如果限制其中一个,就会降低生存能力,危及任务的成功。”

“我们的目标是设计一种多功能材料,可以保护在极端环境下工作的人,比如宇航员、消防员或士兵,免受他们面临的各种威胁,”SEAS博士后、该论文的第一作者格兰特·m·冈萨雷斯(Grant M. Gonzalez)说。

为了实现这一实际目标,研究人员需要探索机械保护和隔热之间的权衡,性能植根于材料的分子结构和取向。Para-Aramid Nanofibers

对芳纶纳米纤维提供机械强度与空隙或空白空间限制热扩散。图片来源:Grant Gonzalez/Harvard SEAS

金属、陶瓷等具有较强机械保护的材料,其分子结构高度有序、排列整齐。这种结构使它们能够承受并分配直接打击的能量。另一方面,绝缘材料的有序结构要少得多,这就阻止了热量通过材料的传递。

凯夫拉尔和Twaron是广泛用于防护设备的商业产品,可以提供弹道或热防护,这取决于它们是如何制造的。例如,编织凯夫拉纤维具有高度排列的晶体结构,用于防护防弹背心。另一方面,多孔的凯夫拉尔气凝胶已经被证明具有很高的隔热性能。

Gonzalez说:“我们的想法是用这种凯夫拉聚合物将纤维的编织有序结构与气凝胶的多孔性结合起来,制造出长而连续的纤维,纤维之间有多孔间距。”“在这个系统中,长纤维可以抵抗机械冲击,而孔隙会限制热扩散。”

研究小组使用浸没式旋转喷射纺丝(iRJS)技术来制造纤维,该技术由帕克氏疾病生物物理小组开发。在这种技术中,一种液体聚合物溶液被装入一个储层,并在设备旋转时被离心力从一个微小的开口推出。当聚合物溶液从油藏中喷射出来时,首先要经过一片开阔的区域,在那里聚合物会伸长,并排列成一条直线。然后,溶液进入去除溶剂的液体浴,并沉淀聚合物形成固体纤维。由于浴缸也在旋转——就像沙拉纺纱机里的水一样——纳米纤维沿着漩涡流缠绕在设备底部的旋转收集器周围。

通过调整液体聚合物溶液的粘度,研究人员能够将长而整齐的纳米纤维旋转成多孔的薄片——提供足够的秩序来抵御弹丸,但也提供足够的无序来抵御高温。在大约10分钟内,该团队可以旋转10 × 30厘米大小的床单。

为了测试这些纸,哈佛大学的研究团队求助于他们的合作者进行弹道测试。马萨诸塞州纳蒂克市CCDC SC的研究人员通过向样本发射类似bb的大型弹丸来模拟弹片撞击。该团队通过将纳米纤维片夹在编织的Twaron片之间进行测试。他们观察到,一叠全编织的特瓦隆床单和一叠编织特瓦隆和纺成纳米纤维的复合材料之间的保护效果差别不大。

Gonzalez说:“CCDC SC的能力使我们能够从作战人员防护装备的角度来量化我们的纤维的成功。”

“学术合作,尤其是与当地著名大学如哈佛大学的合作,为中心中心提供了利用尖端专业知识和设施来增强我们自己的研发能力的机会,”该论文的作者之一、中心中心研究员凯瑟琳·瓦纳说。“作为回报,CCDC SC提供了宝贵的科学和以士兵为中心的专业知识和测试能力,以帮助推动研究向前发展。”

在热防护测试中,研究人员发现,纳米纤维的隔热性能是商业Twaron和凯夫拉尔的20倍。

Gonzalez说:“虽然还有改进的空间,但我们已经突破了可能性的界限,并开始将该领域推向这种多功能材料。”

帕克说:“我们已经证明,你可以为工作在危险中的人们开发出高度防护的纺织品。”“我们现在面临的挑战是为我的兄弟姐妹们开发创新产品。”

哈佛大学技术发展办公室已经为这项技术提交了专利申请,并积极寻求商业化机会。

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