北大突破：10.3 GPa！世界最强纤维诞生，防弹衣将迎革命性变革，一款比钢强十倍、比凯夫拉更薄的新型防弹材料，已经从实验室走向现实。

在材料科学领域，强度与韧性如同鱼与熊掌，难以得兼。但这一定律近日被中国科学家打破。北京大学张锦院士团队联合多家科研机构，成功研制出动态强度高达10.3 GPa、动态韧性达706.1 MJ/m³ 的碳纳米管/杂环芳纶复合纤维，创造了全球高性能纤维的新纪录。

这项发表于顶级期刊《Matter》的研究成果，标志着我国在高端防护材料领域取得重大突破。这种新型纤维的动态强度几乎是钢的十倍，其卓越性能有望重塑防弹衣、装甲防护等安全产品的未来。

01 破解材料科学的“终极难题”

在防护材料领域，纤维的“强”与“韧”一直是一对难解的矛盾。传统高性能聚合物纤维，如芳纶和超高分子量聚乙烯，尽管单链本身具有极高的力学性能，但在宏观纤维中，分子链往往无法充分取向、界面作用较弱，从而容易“打滑”。

这导致材料难以同时兼顾强度与韧性。

过去几十年，科学家们不断尝试通过分子改性、复合增强或结构优化来打破这种权衡，却始终未能超越“8 GPa强度、300 MJ/m³韧性”的瓶颈。

材料科学中的经典难题再度凸显：要想更强，就要让分子链在受力时“齐心协力”；要想更韧，又要让它们不至于一拉就断。这种微观尺度的挑战，成为制约高性能防护材料发展的关键瓶颈。

北京大学深圳研究院张锦院士、高振飞副研究员、焦琨副研究员联合中科院力学研究所吴先前研究员和武汉大学高恩来教授，共同提出了一种创新的分子调控策略，试图从根本上解决这一难题。

02 碳纳米管：让分子链“排队”的模板

研究团队的解决方案极具创新性——他们通过调节碳纳米管的取向，让聚合物链“跟着模板排队”。这项技术的关键在于对纤维内部的分子排列进行精确控制。

团队的第一步是“软化”芳纶分子。他们引入了柔性不对称单体——4，4′-二氨基二苯醚（ODA）——构筑出带有醚键的异杂环芳纶链。这一设计降低了分子的刚性，提高了延展性，为后续碳纳米管的有序排列创造条件。

接着，科学家们通过温和氧化将超长单壁碳纳米管从束状结构中分离成独立的部分，再利用芳纶分子链包覆分散，形成均匀稳定的分子复合溶液。

在湿法纺丝过程中，研究者采用两级牵伸策略：

• 第一阶段在凝固浴中提高拉伸倍率，使碳管从弯曲转为笔直
• 第二阶段在高温下进行热拉伸，让碳管“模板”引导周围聚合物链进一步取向

结果令人振奋：随着牵伸倍率从2.0增加到3.0，纤维的取向度和比强度显著上升——比强度提高近30%，比韧性提升40%以上。

03 性能突破：超越所有已知宏观纤维

当纤维进入高速加载状态，其表现更加惊人。利用微型分离式霍普金森拉伸杆，团队测得这种新型复合纤维的：

• 动态强度：从8.7 GPa进一步提升至10.3 GPa
• 动态韧性：从485 MJ/m³飙升至706.1 MJ/m³

这一数据不仅比传统芳纶提高了两倍以上，还超过了目前所有报道的宏观纤维。

在激光微弹丸冲击实验中，直径仅16 μm的单根纤维能抵挡每秒457米的微弹丸，比能量吸收达1.66 MJ/kg，优于Kevlar、PBO、UHMWPE等高端纤维。

编织后的布料在标准弹片冲击实验中同样表现出最高的能量吸收与抗穿透性能。

英国《新科学家》杂志以头条报道了这一突破，称这种含有碳纳米管的防弹织物比凯夫拉更强。研究人员表示，这种新材料制成的防弹衣，在同等防护级别下，将更轻、更薄、更灵活。

04 革命性应用：从防弹衣到航空航天

这种新型纤维的出现，为多个领域带来了革命性的可能性：

• 与传统防弹材料相比，新型纤维织物在更薄的厚度下就能提供同等级甚至更好的防护效果
• 单兵防护装备将因此变得更轻便，使士兵和执法人员在获得同等防护的同时，增加机动性和舒适度

值得一提的是，这并非张锦院士团队在高端纤维领域的首次突破。就在去年七月，该团队成功开发出动态强度达14 GPa的超强碳纳米管纤维，展现出北京大学在纳米材料研究领域的持续领先地位。

• 高性能纤维可被用于飞行器的蒙皮材料，以防止碎片撞击
• 制成空间捕捉网，用于捕获和回收空间碎片

• 高强碳纳米管纤维可用于关键承载和吸能部件
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05 未来展望：高分子纤维的新纪元

张锦教授表示：“我们希望这类策略能为下一代防护、航空乃至柔性防冲击材料提供设计范式。”未来，该类碳管导向的分子工程思路有望推广至其他高分子体系，如聚酰亚胺、PBO等，实现从纤维到复合织物的多场景应用。

这场关于“分子如何协同受力”的探索，正在让纤维世界从“强或韧”的二选一，走向“既强又韧”的新时代。

随着相关技术的不断成熟和规模化生产能力的提升，这种超强纤维有望在国防、航空航天、安全防护等多个战略领域发挥重要作用。

有研究表明，超高分子量聚乙烯纤维是我国迫切需要的重要战略物资，近年来我国国防装备投入占比不断提升，将会极大地推动我国超高分子量聚乙烯纤维的需求。

而这项最新突破，则进一步巩固了我国在高性能纤维领域的国际领先地位。

这款超强纤维的问世，预示着一个更安全的未来：士兵不必在防护力和机动性之间妥协，宇航员在太空中面对微小碎片的威胁有了更强的屏障。防护材料的下一个时代，已经在中国实验室中悄然开启。