兼具超高动态强度和超高动态韧性的纤维材料在冲击防护领域至关重要。然而，在材料科学中，强度与韧性的平衡始终是困扰科研人员的关键难题。为此，北京大学张锦教授团队联合中国科学院力学研究所吴先前团队和武汉大学高恩来团队，通过调控单壁碳纳米管在杂环芳纶纤维中的取向分布，成功研发出一种兼具高动态强度与高动态韧性的碳纳米管/杂环芳纶复合纤维。
2025年10月31日，相关成果以“Aramid fibers with dynamic strength up to 10 GPa and dynamic toughness up to 700 MJ m–3”为题发表在Matter期刊上。论文通讯作者为北京大学张锦教授、北京石墨烯研究院高振飞研究员、北京大学焦琨高级工程师、中国科学院力学研究所吴先前研究员和武汉大学高恩来教授；第一作者是罗家俊博士、雷旭东博士、博士生贾向正和李梦蝶。
在防弹装甲、车辆防护、航空航天等冲击防护领域中，纤维材料的动态强度与动态韧性是决定防护效果的核心指标。然而，目前广泛应用的高分子纤维材料面临着诸多挑战。其一是由于高分子纤维内部的聚合物链存在取向度低、孔隙率高以及界面相互作用弱等问题，导致其在受到外力冲击时，聚合物链极易发生滑移，无法充分发挥出纤维的本征强度和韧性。因此，目前高分子纤维的动态强度普遍低于8 GPa，动态韧性不足300 MJ m–3，远未达到理想应用水平。其二是材料科学领域长期存在“强度-韧性悖论”难题，导致强度和韧性难以同时提升。这些因素严重制约了高分子纤维材料在冲击防护领域的进一步应用与发展。
在这项工作中，北京大学张锦团队与合作者提出“调控碳纳米管取向分布+优化纤维多级结构”的策略，通过分子工程与多级牵伸技术的协同应用，同时实现碳纳米管/杂环芳纶复合纤维动态强度和动态韧性的大幅提升。该团队首先对碳纳米管与杂环芳纶分子链进行分子工程设计，提高二者的相容性；其次设计了多级牵伸工艺，使碳纳米管与杂环芳纶分子链均能取向排列，优化纤维的多级结构。这种多级结构的优化改善了界面相互作用，提高了载荷传递效率，进而在高速冲击下抑制杂环芳纶分子链的滑移，转而发生断裂。在1600 s–1的高应变率加载条件下，基于该策略制备的碳纳米管/杂环芳纶复合纤维动态强度高达10 GPa、动态韧性高达700 MJ m–3。此外，经过放量制备，由该复合纤维编织而成的织物也展现出优异的冲击防护性能，为其规模化应用奠定了基础。
图1：碳纳米管/杂环芳纶复合纤维的制备、结构、性能和应用。
图2：碳纳米管/杂环芳纶复合纤维在制备过程中的结构演化。
图3：碳纳米管/杂环芳纶复合纤维的准静态和动态力学性能，以及横向冲击防护性能。
图4：碳纳米管/杂环芳纶复合纤维的失效机制及增强机理。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102496
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