10.63 GPa！中科院苏州纳米所AM：新型防弹纤维问世，动态强度创世界纪录

高性能纤维材料在航空航天、防弹防护及民用工业等领域的冲击防护应用中具有至关重要的作用。与传统钢装甲通过碎片分散和局部能量分布抵御威胁不同，软体防弹衣利用聚合物纤维通过宏观拉伸变形和受控断裂来吸收能量。根据Cunniff等人的理论分析，纤维的弹道极限速度由其固有性能决定，具体取决于纵向应变波速度和比拉伸韧性，两者的综合性能值Ω是决定弹道性能的关键因素。因此，具有高刚度、高强度和高延展性（基于低密度）的纤维展现出更优异的抗穿透能力。然而，现有材料在强度、韧性和环境稳定性之间始终存在难以调和的矛盾。聚对苯撑苯并咪唑对苯二甲酰胺（PBIA）纤维作为一类杂环芳纶纤维，因在聚合物链中引入杂环单体而成为知名的高性能材料，其理论强度超过30 GPa。然而，由于纤维取向不足和聚合物链间界面相互作用较弱，目前PBIA纤维的拉伸强度（包括准静态和动态强度，仅为4.5–6.5 GPa）远低于理论值，严重制约了其冲击防护应用。尽管已有优化聚合、精纺工艺、机械处理和化学修饰等策略被用于提升PBIA纤维力学性能，但其动态力学强度始终低于8 GPa，表明PBIA纤维的性能仍有巨大的提升空间。

针对上述瓶颈，中国科学院苏州纳米所‌李清文研究员、胡东梅研究员和北京大学张锦院士、焦琨副研究员、武汉大学高恩来副研究员合作，开发出一种通过原位聚合氧化石墨烯（GO）并结合湿法纺丝技术显著增强杂环芳纶纤维动态力学性能的策略（图1）。研究结果表明，GO/PBIA复合纤维在约500 s⁻¹的高应变率下实现了10.63 ± 0.9 GPa的超高动态强度，较纯PBIA纤维提升了47.23%。在此基础上，通过引入含醚基团的柔性单体进一步聚合，GO/PBIA-O复合纤维的动态韧性达到277.25 ± 49.12 MJ m⁻³，较PBIA纤维的准静态韧性提升了143.01%。激光诱导微粒冲击测试显示，该复合纤维具有显著高于其他高性能纤维的比能量耗散功率。更重要的是，研究团队成功编织出大面积柔性织物，落锤冲击测试表明其比PBIA织物高出40.46%的最大冲击载荷，充分展示了该纤维材料在实际冲击防护应用中的巨大潜力。相关论文以“High-Performance Heterocyclic Aramid Fibers Reinforced by Graphene Oxide for Advanced Impact-Resistant Applications”为题，发表在Advanced Materials上。

图1GO/PBIA纤维的合成策略及其在抗冲击领域应用的示意图。

纤维制备与结构表征

研究团队采用与纯PBIA纤维完全相同的湿法纺丝参数制备GO/PBIA复合纤维，聚合后在PBIA单体中引入GO。同时，为制备高韧性纤维，在PBIA和GO/PBIA合成过程中添加了含醚基团的柔性单体（PBIA-O和GO/PBIA-O纤维）。扫描电子显微镜图像显示，纯PBIA纤维与GO/PBIA复合纤维表面形貌几乎相同，均呈现光滑表面，表明GO的加入并未影响纤维的可纺性（图2a，上插图为纯PBIA纤维，下插图为GO/PBIA纤维）。由于GO的掺入，GO/PBIA复合纤维颜色较纯PBIA纤维更深。聚焦离子束切割显示，GO/PBIA纤维轴向截面与PBIA纤维类似，具有紧密堆积的结构，未见明显缺陷（图2b）。SEM图像显示GO薄片的平均粒径约为2.4 μm（图2c），透射电子显微镜图像进一步证实了GO片层的存在（图2d）。GO/PBIA纤维展现出良好的柔韧性和可拉伸性（图2e），纤维束排列整齐，编织织物结构规整，为GO/PBIA纤维在抗冲击领域的应用奠定了基础（图2f）。

通过小角X射线散射和广角X射线散射实验评估了GO/PBIA复合纤维的微原纤错位角和结晶度（图2g、2h）。一维WAXS曲线通过对二维曲线积分获得，利用特征衍射峰的半高宽比较纤维结晶度。结果表明，GO的加入使WAXS图案的半高宽从PBIA的3.4显著降低至GO/PBIA的2.13，表明GO/PBIA的结晶度较PBIA大幅提高（图2i）。通过WAXS图案方位角度的积分曲线计算，GO/PBIA的晶体取向度（0.9349）高于PBIA（0.9250），证明GO改善了纤维的取向度（图2j）。SAXS图案导出的微原纤错位角显示GO/PBIA具有更低的错位角（图2k），表明其微原纤排列更为有序。此外，PBIA-O的结晶度和取向度较PBIA显著下降，而GO的加入能够明显优化PBIA纤维的结构。热重分析显示，在氧气气氛下，GO/PBIA和GO/PBIA-O纤维较PBIA和PBIA-O纤维具有更高的分解温度和更大的残余质量，表明GO的加入增强了复合纤维的热稳定性和抗氧化性（图2l）。

图2GO/PBIA复合纤维的结构与性能表征。（a）SEM图像（上插图：纯PBIA纤维，下插图：GO/PBIA纤维）。（b）GO/PBIA纤维横截面的SEM图像。（c）GO薄片的SEM图像。（d）GO的TEM图像。（e）打结GO/PBIA纤维的SEM图像。（f）GO/PBIA-O纤维织物的SEM图像（上插图：纤维束的SEM图像）。（g）PBIA、GO/PBIA、PBIA-O和GO/PBIA-O纤维的二维小角X射线散射图谱。（h）PBIA、GO/PBIA、PBIA-O和GO/PBIA-O纤维的二维广角X射线散射图谱。（i）方位角积分曲线。（j）取向度。（k）微原纤结构错位角。（l）GO/PBIA、PBIA-O和GO/PBIA-O纤维的热重分析曲线。

力学性能全面评估

力学性能测试结果表明，GO能够高效提升PBIA纤维的准静态力学性能（图3a）。纯PBIA纤维的拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量和韧性分别为5.24 ± 0.22 GPa、4.45 ± 0.06%、117.78 ± 4.07 GPa和114.09 ± 5.93 MJ m⁻³。GO/PBIA纤维的拉伸强度达到6.08 ± 0.17 GPa，韧性达到133.39 ± 9.36 MJ m⁻³，较纯PBIA纤维分别提升了16.03%和16.9%（图3b）。在引入柔性含醚单体的纤维体系中，PBIA-O纤维的拉伸强度和杨氏模量分别降至5.10 ± 0.17 GPa和100.73 ± 3.75 GPa，而断裂伸长率和韧性分别提高至5.07 ± 0.19%和119.33 ± 8.83 MJ m⁻³。GO的引入同样全面增强了PBIA-O纤维的力学性能：GO/PBIA-O纤维的拉伸强度为5.95 ± 0.31 GPa，断裂伸长率为5.57 ± 0.11%，韧性达到145.76 ± 9.39 MJ m⁻³，较纯PBIA-O纤维分别提升了16.67%、9.86%和23.82%。与Zylon HM、AS纤维、T700、T800纤维、UHMWPE纤维和Kevlar纤维等商业纤维相比，GO/PBIA和GO/PBIA-O纤维在拉伸强度和断裂伸长率方面均展现出显著优势。

在实际应用中，PBIA纤维常面临循环载荷和紫外辐照等复杂工况。循环加载实验表明，PBIA纤维可承受4%应变而不发生断裂，而GO/PBIA纤维可达4.2%，PBIA-O纤维为4.8%，GO/PBIA-O纤维更可达到5.2%。所有纤维均能承受10次循环拉伸而不发生断裂。经168小时紫外暴露后，PBIA纤维强度下降了4.55%，而GO/PBIA、PBIA-O和GO/PBIA-O纤维的强度分别仅下降1.66%、1.95%和2.67%，断裂伸长率分别下降6.08%、2.19%、3.05%和2.33%，表明GO的引入能够有效减缓强度下降速率并增强抗紫外性能。

动态力学性能突破

研究团队利用分离式霍普金森拉杆系统对纤维在高应变率下的动态力学性能进行了系统评估。通过控制高压气室进气量调节子弹速度，应变率和应变由入射杆末端应变计采集的入射波计算，应力则由微力传感器采集的波形确定。实验中采用5 mm标距的单纤维样品以确保快速应力波平衡。结果表明，冲击速度与应变率呈线性关系，随冲击速度提高而成比例增加（图3c）。

四种纤维的动态应力-应变曲线显示，与准静态加载不同，高应变率下峰值应力后应力并未突然下降，拉伸强度显著提高，而断裂伸长率则明显降低（图3d）。这归因于PBIA纤维在高应变率下没有足够时间进行链解缠结、重取向和滑移等应变率敏感构象调整。GO/PBIA纤维在约500 s⁻¹应变率下的动态强度达到10.63 ± 0.9 GPa，较准静态强度提高了102.86%，是PBIA纤维准静态拉伸强度的2.03倍，是GO/PBIA纤维准静态强度的1.75倍（图3e）。拉伸强度和韧性随应变率升高呈先增后减趋势。GO/PBIA-O纤维在约800 s⁻¹应变率下达到最大动态强度8.46 ± 0.64 GPa，较PBIA-O准静态提升了约65.9%，最大动态韧性达277.25 ± 49.12 MJ m⁻³，较PBIA纤维的准静态韧性（114.09 MJ m⁻³）提高了143.01%，超越了其他高性能纤维（图3f）。GO/PBIA纤维的动态强度分别是PBO、PI、UHMWPE和Kevlar纤维的1.51、2.27、2.5和2.29倍，展现出明显的抗冲击优势（图3g、3h）。GO/PBIA纤维在准静态和动态加载下均表现出高于PBIA、PBIA-O和GO/PBIA-O纤维的强度，而GO/PBIA-O纤维在强度略有降低的同时展现出相对较高的韧性（图3i）。

通过高速相机捕捉的断裂过程显示，准静态加载下PBIA纤维呈塑性断裂，断口平坦且微原纤拔出极少；随应变率提高，纤维分叉且分叉部分进一步伸长。GO的加入使纤维发生轴向劈裂，微原纤拔出更长且原纤化加剧。动态拉伸加载下，GO/PBIA纤维在断裂点发生伸长变细和分叉，随后在动态拉伸过程中分叉严重，大量微原纤脱离并飞出。

图3GO/PBIA复合纤维的力学性能。（a）四种纤维的准静态应力-应变曲线。（b）四种纤维的准静态强度、杨氏模量和韧性对比。（c）冲击速度与应变率的关系。（d）四种纤维的动态应力-应变曲线。（e）不同纤维类型的动态强度对比。（f）不同纤维类型的动态韧性对比。（g）不同纤维准静态与动态强度对比。（h）高应变率下高性能纤维的拉伸强度对比。（i）四种纤维各项性能的雷达图。

激光诱导微弹道冲击与能量耗散

研究团队采用激光诱导微粒冲击测试直接评价纤维的冲击性能（图4a）。高功率密度激光烧蚀200 nm厚金属膜，在其表面产生快速膨胀的等离子体，驱动金属膜上的聚二甲基硅氧烷层形成锥形形变，以高速冲击单根纤维。通过超高速成像确定锥形形变速度和纤维横向波速度，进而计算纤维材料的比能量耗散功率（SEDP）。结果显示，GO/PBIA纤维具有最高的SEDP值，达39.87 × 10⁷ m³ s⁻³，GO/PBIA-O纤维以35.65 × 10⁷ m³ s⁻³位居第二，远超PBIA、PBO和CNT纤维（图4b）。SEDP*值与纤维横向波速度呈正相关，为评估纤维高速横向冲击能量耗散能力提供了简便有效的途径。

增强机制解析

研究团队通过全原子分子动力学模拟和粗粒化分子动力学模拟深入揭示了GO增强PBIA纤维的微观机制。计算表明，PBIA链与GO之间的结合能高达84.26 meV/atom，远高于PBIA链间的21.6 meV/atom，证明GO的加入能够有效增强链间应力传递的界面相互作用（图4c）。原子模拟显示，PBIA链和PBIA-O链的持续长度分别为5.5 nm和4.8 nm，增强的柔性意味着PBIA-O链更倾向于吸附在GO片层上，从而增大了GO与聚合物链的接触面积（图4d）。粗粒化模拟拉伸测试表明，不同加载速度下GO/PBIA-O的强度和韧性均较PBIA和GO/PBIA显著增加，与实验结果一致（图4e、4f）。高加载速度下，GO/PBIA-O中的链滑移受到显著抑制，拉伸强度明显增强（图4g），断裂的芳纶链比例从低加载速度下的5.58%大幅提高至36.67%，而PBIA仅从1.67%提高至19.67%（图4h）。这表明更多聚合物链参与了能量吸收而非发生局部滑移和集中失效。

图4复合纤维的增强机制。（a）LIPIT示意图。（b）不同纤维SEDP*值对比。（c）PBIA链（PBIA/PBIA）、PBIA-O链（PBIA-O/PBIA-O）、PBIA链在GO片层上（GO/PBIA）以及PBIA-O链在GO片层上（GO/PBIA-O）的结合能。（d）PBIA和o-PBIA链的回转半径和端距演化。MD模拟结果展示（e）PBIA、GO/PBIA和GO/PBIA-O的强度和（f）韧性。（g）低加载速度和高加载速度下PBIA和GO/PBIA-O拉伸过程的模拟快照。（h）不同纤维在拉伸过程中断裂链的百分比。

织物冲击性能与应用前景

根据Cunniff准则，GO/PBIA-O的性能值优于GO/PBIA纤维和其他高性能纤维。研究团队在相同面密度和结构参数下使用PBIA和GO/PBIA-O纤维制备了平纹织物，以直接评估其在实际加载条件下的抗冲击性能（图5a）。落锤冲击测试表明，随冲击能量增加，PBIA织物的最大载荷先增后减，在40 J冲击能量下达最大载荷1003.08 N，最大能量吸收23.5 J，最大位移41.6 mm（图5b、5c、5d）。而GO/PBIA-O织物的最大载荷、能量和位移随冲击能量增加逐渐增大，在相同冲击能量下展现出更高的最大载荷和能量吸收以及更小的位移，最大载荷达1408.95 N，最大能量吸收31.7 J，位移为40.7 mm（图5e、5f）。GO/PBIA-O织物的最大冲击载荷较PBIA织物提高了40.46%，能量吸收提升了34.89%，凹陷深度降低了2.21%（图5g）。宏观损伤图像显示，PBIA织物在50 J冲击能量下出现断裂迹象，而GO/PBIA-O织物仅有少数单根纤维断裂。

图5GO/PBIA-O织物的抗冲击性能。（a）大面积GO/PBIA-O织物照片。（b）不同冲击能量下PBIA织物的载荷-位移曲线及最大载荷。（c）不同冲击能量下PBIA织物的能量-时间曲线及最大能量。（d）不同冲击能量下PBIA织物的位移-时间曲线及最大位移。（e）不同冲击能量下GO/PBIA-O织物的载荷-位移曲线及最大载荷。（f）不同冲击能量下GO/PBIA-O织物的能量-时间曲线及最大能量。（g）PBIA和GO/PBIA-O织物最大载荷、能量和位移的对比。

总结与展望

本研究成功开发出一种具有卓越抗冲击性能的纤维材料。GO的原位引入显著增强了纤维内部相互作用，优化后的GO/PBIA复合纤维动态拉伸强度达10.63 GPa，较PBIA纤维提高约47.23%。在含醚单体改性纤维体系中，GO/PBIA-O复合纤维的动态韧性较PBIA纤维提升了85.3%，达到277.25 MJ m⁻³。性能的大幅提升主要归因于GO的多重作用：它不仅提高了纤维结晶度，还通过其高比表面积和与聚合物链的界面相互作用有效抑制了裂纹扩展，使更多聚合物链在冲击过程中参与能量吸收，从而提高了载荷传递效率。此外，研究团队利用具有优异抗冲击性能的GO/PBIA-O纤维制备了大面积柔性织物，落锤冲击测试结果进一步证实了其在抗冲击领域的应用潜力。该研究为利用GO的本征特性在宏观尺度制备超高动态强度抗冲击纤维材料提供了切实可行的技术途径。