多功能纳米纤维防止爆炸 - 士兵，消防员，宇航员等等

在碎片仿真射弹试验后，粉末®型纳米纤维板纸上的粉末纳米纤维板。

自第二次世界大战以来，绝大多数美国战斗伤亡人数来自枪击伤口，而是来自爆炸。如今，大多数士兵佩戴沉重的防弹背心，以保护他们的躯干，但其大部分的身体仍然暴露在爆炸片段和弹片的不分青红皂白地。

由于材料的基本属性，设计以保护极端和致命弹丸的极端温度和致命射弹的设计设备已经困难。足够强大的材料以防止弹道威胁无法防止极端温度，反之亦然。因此，今天的许多保护设备由多层不同材料组成，导致庞大，重型的齿轮，如果在臂和腿上磨损，会严重限制士兵的流动性。

现在，哈佛大学研究人员与美国军队战斗能力发展指挥官士兵中心（CCDC SC）和West Point进行了合作，开发了一种轻量级的多功能纳米纤维材料，可以保护佩戴者免受极端温度和弹道威胁。

该研究发表于journalmatter。

哈佛大学研究人员与美国陆军战斗能力开发指挥士兵中心（CCDC SC）和西点合作，开发了一种轻量级的多功能纳米纤维材料，可以保护佩戴者免受极端温度和弹道威胁。

“当我在阿富汗的战斗时，我看到了第一手人体盔甲如何拯救生命，”塔尔家族教授的生物工程和应用物理教授，在哈佛约翰A.保尔森工程学院和应用科学学院（SEA） ）美国陆军储备的一位中校。“我也看到了重型的身体盔甲可以限制移动性。作为战场上的士兵，三个主要任务是移动，拍摄和沟通。如果你限制其中一个，你会减少生存能力，你危及任务成功。“

“我们的目标是设计一种可以保护在极端环境中工作的多功能材料，例如宇航员，消防员或士兵，从他们所面临的许多不同的威胁中，”博士·冈萨雷斯，海洋博士·冈萨雷茨（Teardoratoral）及首先本文的作者。

为了实现这一实践目标，研究人员需要探讨机械保护和隔热之间的权衡，属于材料的分子结构和取向。

对芳族聚酰胺纳米纤维提供具有空隙或空的空间限制热扩散的机械强度。

具有强大机械保护的材料，例如金属和陶瓷，具有高度有序和对准的分子结构。该结构允许它们承受并分配直接吹的能量。另一方面，绝缘材料具有更少的有序结构，这防止了通过材料传递热量。

Kevlar和Twaron是广泛使用的商业产品，在保护设备中使用，可以提供弹道或热保护，具体取决于它们的制造方式。例如，编织kevlar具有高度对准的晶体结构，并用于防护防护背心。另一方面，多孔Kevlar Aerogels已被证明具有高热绝缘。

“我们的想法是使用这种Kevlar聚合物将纤维的纤维组合，使气凝胶的孔隙率为长，连续纤维在两者之间具有多孔间距，”Gonzalez说。“在该系统中，长纤维可以抵抗机械冲击，而毛孔将限制热扩散。”

研究团队使用了浸入式旋转喷射纺纱（IRJS），由Parker氏病生物物理组开发的技术，用于制造纤维。在该技术中，将液体聚合物溶液装入储存器中，并通过离心力推出，随着器件旋转，通过离心力进行微小的开口。当聚合物溶液从储存器中射出时，首先通过露天区域，其中聚合物细长和链条对齐。然后溶液击中除去溶剂的液体浴，并沉淀聚合物以形成固体纤维。由于浴液也是沙拉旋转器中的旋转水 - 纳米纤维沿着涡流流沿着装置的基部的旋转集电体缠绕并缠绕。

通过调节液体聚合物溶液的粘度，研究人员能够将长期的纳米纤维旋转成多孔板 - 提供足够的顺序以防止射弹，但足够的疾病以防止热量。在大约10分钟内，该团队可以旋转约10厘米的尺寸。

要测试纸张，哈佛大队转向他们的合作者进行弹道测试。CCDC SC在Natick，Massachusetts通过在样品上射击大型BB样射弹模拟弹片影响。该团队通过将纳米纤维板夹在编织孪晶片之间的纳米纤维板上进行了测试。他们观察到所有编织的粉末片和组合堆叠的编织粉末和纺丝纳米纤维之间的堆叠之间的保护差异很小。

“CCDC SC的能力使我们能够从对战士的保护设备的角度来量化我们的纤维的成功，具体而言，”Gonzalez说。

“学术合作，尤其是哈佛等当地大学的学术合作，提供了CCDC SC，利用尖端专业知识和设施来增加我们自己的研发能力，”CCDC SC和其中一位作者之一的研究员Kathleen Swana说。“CCDC SC作为回报，提供了有价值的科学和士兵为中心的专业知识和测试能力，以帮助推动前进的研究。”

在测试热保护时，研究人员发现，纳米纤维提供了商业粉末和Kevlar的热绝缘能力20倍。

“虽然有改进可以制作，但我们已经推动了可能的界限，并开始向这种多功能材料移动现场，”Gonzalez说。

“我们已经表明，您可以为以伤害方式工作的人开发高度保护性纺织品，”帕克说。“我们现在的挑战是将科学进步从武器中的兄弟姐妹的创新产品发展到了。”

哈佛大学技术开发办公室提出了该技术的专利申请，并积极寻求商业化机会。

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参考：Brant M.Gonzalez，Janet Ward，John Song，Kathleen Swana，斯蒂芬A. Fossey，Jesse L. Palmer，Felonica W.张，Veronica W. Zhang，Veronica W. Zhang，Veronica W. Zhang，Veronica W. Zucian ，Luca Cera，John F. Zimmerman，F. John Burpo和Kevin Kit Parker，2020年6月29日，物质.DOI：
10.1016 / J.Matt.2020.06.001

本文由Janet Ward，John Song，Kathleen Swana，斯蒂芬A. Fossey，Jesse L. Palmer，Felica W. Zhang，Veronica M. Lucian，Luca Cera，John F. Zimmerman和F. John Burpo，Johen A. Fossey。

该研究得到了国家科学基金会奖励号码DMR-1420570下的哈佛材料研究科学和工程中心。