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多功能纳米纤维可以保护士兵、消防员、宇航员等免受爆炸的伤

第一次世界大战以来,美国绝大多数的战斗伤亡不是来自枪伤,而是来自爆炸。今天,大多数士兵穿着沉重的防弹背心来保护他们的躯干,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。

由于材料的基本特性,设计保护极端部位不受极端温度和爆炸造成的致命射弹伤害的设备一直很困难。足以抵御弹道导弹威胁的材料不能抵御极端温度,反之亦然。结果,现在的许多防护装备都是由多层不同材料制成的,导致这些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,开发了一种轻型、多功能纳米纤维材料,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《Matter》杂志上。

当我在阿富汗作战时,我亲眼看到防弹衣是如何拯救生命的,高级作者Kit Parker说,他是哈佛大学John a . Paulson工程和应用科学学院(SEAS)生物工程和应用物理学的塔尔家族教授,也是美国陆军预备役的中校。我也看到沉重的防弹衣会限制机动性。作为战场上的士兵,三个主要任务是移动、射击和交流。如果限制其中一种,就会降低生存能力,危及任务成功。

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。该论文的第一作者、海洋研究所的博士后研究员格兰特·m·冈萨雷斯说。

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,这些性能取决于材料的分子结构和取向。

具有强机械保护的材料,如金属和陶瓷,具有高度有序和排列的分子结构。这种结构使它们能够承受和分散直接打击的能量。另一方面,绝缘材料的结构不那么有序,这就阻止了热量通过材料的传递。

凯夫拉尔(Kevlar)和特瓦龙(Twaron)是广泛应用于防护设备的商用产品,可以提供防弹保护或热保护,这取决于它们是如何制造的。例如,编织的凯夫拉纤维具有高度排列的晶体结构,用于防弹背心的防护。多孔凯夫拉尔气凝胶,另一方面,已证明具有很高的隔热性能。

我们的想法是用凯夫拉尔聚合物将纤维的有序编织结构与气凝胶的孔隙度结合起来,制造出中间有多孔间隔的长而连续的纤维。冈萨雷斯说。在该体系中,长纤维能抵抗机械冲击,而气孔限制了热扩散。

研究小组使用浸入式旋转喷射纺丝(iRJS)来制造纤维,这是一种由帕克尔疾病生物物理学小组开发的技术。在这项技术中,一种液体聚合物溶液被装入储层,并在设备旋转时通过一个微小的开口被离心力推出。当聚合物溶液从储层中喷出时,它首先经过一个露天区域,在那里聚合物伸长,链排成一行。然后溶液接触到一个液体浴,这个液体浴除去溶剂,沉淀聚合物形成固体纤维。因为浴缸也在旋转。就像沙拉搅拌器里的水纳米纤维沿着涡流的流缠绕在装置底部的旋转收集器周围。

通过调整液体聚合物溶液的粘度,研究人员能够将长排列的纳米纤维纺成多孔的薄片。提供足够的秩序来抵御炮弹,但也提供足够的混乱来抵御热量。在大约10分钟的时间内,该团队就可以旋转大小为10 * 30厘米的床单。

为了测试床单,哈佛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大型的bb状炮弹来模拟弹片的撞击。该团队通过将纳米纤维薄片夹在编织的Twaron薄片之间进行测试。他们观察到,在一堆编织的特瓦纶片和一堆编织的特瓦纶片和纳米纤维之间的保护作用几乎没有差别。

CCDC SC的能力使我们能够从战士防护装备的角度量化我们的纤维的成功,特别是,冈萨雷斯说。

学术合作,特别是与本地著名大学如哈佛大学的合作,为CCDC SC提供了利用尖端专业知识和设施来增强自身研发能力的机会。该论文的作者之一、CCDC SC的研究员凯瑟琳·瓦纳说。作为回报,CCDC SC提供有价值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。

在热保护测试中,研究人员发现,纳米纤维提供的隔热能力是商业Twaron和Kevlar的20倍。

虽然还有可以改进的地方,但我们已经突破了可能的界限,开始向这种多功能材料的方向发展。冈萨雷斯说。

我们已经证明,你们可以为从事损害工作的人开发高防护性的纺织品,帕克说。我们现在面临的挑战是将科技进步转化为创新产品,为我们的兄弟姐妹们服务。

哈佛大学技术发展办公室已经为这项技术申请了专利,并正在积极寻求商业化机会。

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参考:2020年6月29日,Matter。

DOI: 10.1016 / j.matt.2020.06.001

本文作者为Janet Ward, John Song, Kathleen Swana, Stephen A. Fossey, Jesse L. Palmer, Felita W. Zhang, Veronica M. Lucian, Luca Cera, John F. Zimmerman and F. John Burpo。

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