在材料科學領域，強度與韌性如同魚與熊掌，難以得兼。但這一定律近日被中國科學家打破。北京大學張錦院士團隊聯合多家科研機構，成功研制出動態強度高達10.3 GPa、動態韌性達706.1 MJ/m³ 的碳納米管/雜環芳綸復合纖維，創造了全球高性能纖維的新紀錄。

這項發表于頂級期刊《Matter》的研究成果，標志著我國在高端防護材料領域取得重大突破。這種新型纖維的動態強度幾乎是鋼的十倍，其卓越性能有望重塑防彈衣、裝甲防護等安全產品的未來。

1破解材料科學的“終極難題”

傳統高性能聚合物纖維，如芳綸和超高分子量聚乙烯，盡管單鏈本身具有極高的力學性能，但在宏觀纖維中，分子鏈往往無法充分取向、界面作用較弱，從而容易“打滑”。這導致材料難以同時兼顧強度與韌性。

過去幾十年，科學家們不斷嘗試通過分子改性、復合增強或結構優化來打破這種權衡，卻始終未能超越“8 GPa強度、300 MJ/m³韌性”的瓶頸。

2碳納米管：讓分子鏈“排隊”的模板

研究團隊的解決方案極具創新性——他們通過調節碳納米管的取向，讓聚合物鏈“跟著模板排隊”。這項技術的關鍵在于對纖維內部的分子排列進行精確控制。

團隊的第一步是“軟化”芳綸分子，引入柔性不對稱單體——4,4′-二氨基二苯醚（ODA），構筑帶有醚鍵的異雜環芳綸鏈。這一設計降低了分子的剛性，提高了延展性，為后續碳納米管的有序排列創造條件。

接著，科學家們通過溫和氧化將超長單壁碳納米管從束狀結構中分離成獨立的部分，再利用芳綸分子鏈包覆分散，形成均勻穩定的分子復合溶液。

在濕法紡絲過程中，研究者采用兩級牽伸策略：

• 第一階段在凝固浴中提高拉伸倍率，使碳管從彎曲轉為筆直
• 第二階段在高溫下進行熱拉伸，讓碳管“模板”引導周圍聚合物鏈進一步取向

結果令人振奮：隨著牽伸倍率從2.0增加到3.0，纖維的取向度和比強度顯著上升——比強度提高近30%，比韌性提升40%以上。

3性能突破：超越所有已知宏觀纖維

當纖維進入高速加載狀態，其表現更加驚人。利用微型分離式霍普金森拉伸桿，團隊測得這種新型復合纖維的：

• 動態強度：從8.7 GPa進一步提升至10.3 GPa
• 動態韌性：從485 MJ/m³飆升至706.1 MJ/m³

這一數據不僅比傳統芳綸提高了兩倍以上，還超過了目前所有報道的宏觀纖維。

在激光微彈丸沖擊實驗中，直徑僅16 μm的單根纖維能抵擋每秒457米的微彈丸，比能量吸收達1.66 MJ/kg，優于Kevlar、PBO、UHMWPE等高端纖維。

編織后的布料在標準彈片沖擊實驗中同樣表現出最高的能量吸收與抗穿透性能。

英國《新科學家》雜志以頭條報道了這一突破，稱這種含有碳納米管的防彈織物比凱夫拉更強。研究人員表示，這種新材料制成的防彈衣，在同等防護級別下，將更輕、更薄、更靈活。

4革命性應用：從防彈衣到航空航天

這種新型纖維的出現，為多個領域帶來了革命性的可能性：

①防彈防護領域

• 與傳統防彈材料相比，新型纖維織物在更薄的厚度下就能提供同等級甚至更好的防護效果
• 單兵防護裝備將因此變得更輕便，使士兵和執法人員在獲得同等防護的同時，提升機動性和舒適性

值得一提的是，這并非張錦院士團隊在高端纖維領域的首次突破。就在去年七月，該團隊成功開發出動態強度達14 GPa的超強碳納米管纖維，展現出北京大學在納米材料研究領域的持續領先地位。

②航空航天領域

• 高性能纖維可被用于飛行器的蒙皮材料，以防止碎片撞擊
• 制成空間捕捉網，用于捕獲和回收空間碎片

③軌道交通領域

• 高強碳納米管纖維可用于關鍵承載和吸能部件

5未來展望：高分子纖維的新紀元

張錦院士表示：“我們希望這類策略能為下一代防護、航空乃至柔性防沖擊材料提供設計范式。”未來，該類碳管導向的分子工程思路有望推廣至其他高分子體系，如聚酰亞胺、PBO等，實現從纖維到復合織物的多場景應用。

這場關于“分子如何協同受力”的探索，正在讓纖維世界從“強或韌”的二選一，走向“既強又韌”的新時代。

隨著相關技術的不斷成熟和規?；a能力的提升，這種超強纖維有望在國防、航空航天、安全防護等多個戰略領域發揮重要作用。

而這項最新突破，則進一步鞏固了我國在高性能纖維領域的國際領先地位。