对于科学家来说，重量往往是推动防弹材料边界的关键考虑因素，他们想象的盔甲既能保护穿戴者的安全，又能提高他们的机动性。威斯康辛大学麦迪逊分校的工程师们现在已经锻造出一种被称为“纳米纤维垫”的新型超轻装甲材料，这种材料具有独特的化学特性，使其性能优于凯夫拉尔纤维和钢铁。

上图：科学家们已经将碳纳米管作为一种新材料的基础，这种材料可以用于制造轻型装甲。

这种新型盔甲的基础是只有一个原子那么厚的碳圆柱体。这些被称为“碳纳米管”的材料已经显示出作为下一代材料的前景，从晶体管研究到治疗视力丧失，再到炸弹探测设备，无所不包。

为了将碳纳米管用于装甲材料，这项新研究的科学家采用了多壁碳纳米管，并将其与凯夫拉纳米纤维结合。这个想法是建立在早期研究的基础上，证明了这些材料在吸收冲击力方面的潜力，看看它们是否能被塑造成一种功能更强大的盔甲解决方案。

该研究的负责人Ramathasan Thevamaran表示：“纳米纤维材料在保护应用方面非常有吸引力，因为与宏观纤维相比，纳米纤维具有卓越的强度、韧性和刚度。到目前为止，碳纳米管垫表现出了最好的能量吸收效果，我们想看看能否进一步提高它们的性能。”

为了做到这一点，科学家们对化学物质进行了修补，直到他们找到了成功的配方。他们合成了凯夫拉尔纳米纤维，并在碳纳米管组成的“垫子”中加入了少量的凯夫拉尔纳米纤维，两者的比例恰到好处，从而导致纤维之间产生氢键。这些联系的结果是能量吸收效果的戏剧性飞跃。

负责人Ramathasan Thevamaran解释道：“氢键是一个动态的键，这意味着它可以不断地断裂和重新形成，使它能够通过这个动态过程耗散大量的能量。此外，氢键为这种相互作用提供了更多的刚度，从而强化和加强了纳米纤维垫。当我们通过添加凯夫拉纳米纤维来改变垫子的界面相互作用时，我们能够在特定的超音速冲击速度下实现近100%的能量耗散性能改善。”

该团队利用一种微型弹丸冲击测试系统对这种材料进行了测试，在该系统中，激光以不同的速度将微子弹发射到材料样品中。

研究人员表示：“我们的系统设计使得我们实际上可以在显微镜下挑选一颗子弹，并以非常可控的方式向目标射击，速度非常可控，可以从每秒 100 米（330 英尺）一直变化到每秒超过 1 公里（0.62 英里）。 这使我们能够在一个时间尺度上进行实验，我们可以观察材料的反应 —— 当氢键相互作用发生时。”

这些实验表明，这种新型材料比凯夫拉纤维和钢板更能抵御高速冲击。这为高性能、超轻装甲材料提供了基础，而不仅仅是防弹背心。据研究人员称，这种材料有潜力让航天器吸收来自高速空间碎片的冲击。

研究人员表示：“我们的纳米纤维垫子的保护性能远远超过其他材料系统，而且重量更轻。”