石墨烯在防彈領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用簡(jiǎn)析

陳濟(jì)桁

無(wú)論是“充電10min使電動(dòng)車?yán)m(xù)航1000km”的電池，還是“硅時(shí)代后最具發(fā)展?jié)摿Φ陌雽?dǎo)體材料”，電池和半導(dǎo)體一直是石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域中最受關(guān)注的2大標(biāo)簽。事實(shí)上，電學(xué)性能只是石墨烯優(yōu)異特性的一方面，優(yōu)良的力學(xué)性能也是石墨烯之所以能夠被稱為“21世紀(jì)最具有劃時(shí)代意義的材料”的重要原因。石墨烯是已知機(jī)械強(qiáng)度最高的材料，其強(qiáng)度百倍于鋼，而質(zhì)量卻只有一張紙的1/1 000，拉伸模量130GPa，理論模量可達(dá)到1 000MPa，同時(shí)還兼具良好韌性、可彎曲性和延展性。正因如此，石墨烯無(wú)論是單獨(dú)作為一種全新的結(jié)構(gòu)材料或是作為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料的改性添加劑，都具有極高應(yīng)用價(jià)值和潛力。在眾多潛在應(yīng)用領(lǐng)域中，基于石墨烯的防彈材料發(fā)展超出預(yù)期，甚至成為率先實(shí)現(xiàn)軍事應(yīng)用突破的重要方向。

1? 防彈材料需求正不斷增加

近年來(lái)，全球地區(qū)安全局勢(shì)危機(jī)不斷升級(jí)，大大小小的軍事沖突頻發(fā)，打擊手段不斷多元化、智能化、高毀傷化的同時(shí)，對(duì)于裝備防護(hù)性能要求也不斷增加。新冠疫情肆虐致使部分國(guó)家政治局勢(shì)不穩(wěn)，社會(huì)不安定因素增加，傳統(tǒng)軍用裝備逐漸有社會(huì)化、商品化趨勢(shì)，尤其以防彈衣和防彈車輛最為典型。這意味著傳統(tǒng)軍用產(chǎn)品受眾市場(chǎng)群體已不僅僅拘泥于武裝力量和政府部門，更廣泛的社會(huì)群體、企業(yè)個(gè)人也成為了目標(biāo)客戶，防彈材料的需求和市場(chǎng)空間旋即增大。

以允許合法持槍的美國(guó)為例，槍械社會(huì)化泛濫帶來(lái)的后果就是槍支暴力犯罪激增。美國(guó)皮尤研究中心2017年通過(guò)對(duì)3 930名美國(guó)成年人開展全國(guó)代表性調(diào)查，了解槍支在美國(guó)民眾中的持有和使用情況。結(jié)果顯示，受訪者中每10人中就有4人曾經(jīng)持有槍械或居住在持槍的家庭中，超過(guò)70%的受訪者表示曾開過(guò)槍，其中包括了55%從未合法擁有槍支的成年人。此外，23%的人聲稱自己或家人曾被槍支恐嚇。隨著美國(guó)新冠疫情持續(xù)惡化和其他政治因素影響，槍支買賣市場(chǎng)受到進(jìn)一步刺激。據(jù)華盛頓郵報(bào)報(bào)道，2021年1月美國(guó)槍支銷售量超過(guò)了200萬(wàn)支，比2020年同期增長(zhǎng)了80%。槍械泛濫難以管制，防具需求隨之增加。防彈衣、防爆盾、防彈頭盔等裝備，已經(jīng)由軍用、警用物資，變成了直接面向消費(fèi)者的產(chǎn)品。

2020年末，伊朗核科學(xué)家——法赫里扎德在伊朗街頭遇刺身亡，他乘坐轎車防彈性能不足且本人未身著防彈裝備是致命的關(guān)鍵。這一事件在震驚世界的同時(shí)，也凸顯了在動(dòng)蕩時(shí)局和地區(qū)對(duì)于防彈裝備需求的迫切。這一客觀事實(shí)促使越來(lái)越多的廠商瞄準(zhǔn)了這一市場(chǎng)，積極開發(fā)和推廣防彈產(chǎn)品。

2? 石墨烯具有優(yōu)異的防彈潛能

材料防彈機(jī)理大致分為2類：一類是依靠防彈材料自身的強(qiáng)度和硬度“硬扛”，使入射彈體碎裂后將碎片彈開，常見于坦克、飛機(jī)、裝甲車輛等用于抵抗高速、大口徑彈擊，主要材料為鋼、鋁、鈦等金屬及硬質(zhì)陶瓷等;另一類則是通過(guò)抵消入射子彈動(dòng)能，以“吸能”的方式實(shí)現(xiàn)防彈，常用于軟式防彈衣中以抵擋低速、小口徑子彈的攻擊，主要用材包括耳熟能詳?shù)摹皠P夫拉”纖維、超高分子聚乙烯纖維等。石墨烯由蜂窩狀連接在一起的碳原子組成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，配合其優(yōu)異力學(xué)性能，保證了石墨烯具有出色的抗沖擊性能，理論上可成為杰出的防彈材料。

在早期石墨烯性能研究中，大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)往往聚焦石墨烯的電學(xué)性能，少量針對(duì)石墨烯力學(xué)性能的研究也主要集中在拉伸強(qiáng)度，特別是拉伸斷裂前石墨烯能夠承受的最大應(yīng)力等，而對(duì)于石墨烯抗沖擊能力的研究相對(duì)較少。2014年，美國(guó)萊斯大學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室率先開展了激光誘導(dǎo)射彈撞擊試驗(yàn)（LIPIT）：利用激光的能量以極高速度將微粒射向目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，萊斯大學(xué)教授 Edwin Thomas與麻省大學(xué)阿默斯特分校Jae-Hwang Lee優(yōu)化了試驗(yàn)條件，開創(chuàng)性的以高精度、3 000m/s的速度射出單個(gè)微粒模擬子彈，射向約10～100nm厚、最大不超過(guò)300層石墨烯的薄板，微粒擊中石墨烯薄板并最終擊穿。不過(guò)，在被擊穿前的3ns內(nèi)，石墨烯薄板在微粒撞擊點(diǎn)處承受沖擊力產(chǎn)生背部錐形拉伸形變，然后沿徑向向外開裂，在這一過(guò)程中吸收了微粒的大量動(dòng)能（見圖1所示）。根據(jù)估算，石墨烯的蜂窩結(jié)構(gòu)可以22.2km/s的速度迅速分散沖擊力，中斷通過(guò)材料形成的外展波。根據(jù)這一數(shù)據(jù)水平推算，石墨烯的抗沖擊性能比鋼強(qiáng)10倍，能夠達(dá)到傳統(tǒng)凱夫拉防彈衣的2倍以上。試驗(yàn)中模擬子彈的微粒速度是常用M16步槍子彈初速（約900m/s）的3倍以上、AK-47步槍（710m/s）的4倍以上。這項(xiàng)試驗(yàn)首次證實(shí)了石墨烯出眾的防彈性能潛力。

2017年，紐約城市大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種名為“鉆石烯”的材料，主要由碳化硅襯底和雙層石墨烯組成。這種材料在正常狀態(tài)下如金屬箔一樣輕質(zhì)、柔性，但當(dāng)材料承受瞬時(shí)機(jī)械壓力（沖擊）時(shí)，可展現(xiàn)如金剛石般的硬度。研究人員首先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模印證了概念的可行性，隨后經(jīng)過(guò)原子力顯微鏡向碳化硅襯底的雙層石墨烯施加局部壓力，通過(guò)對(duì)樣件的測(cè)試驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，再次證明了石墨烯的防彈性能和防彈應(yīng)用潛力。

不過(guò)，基于現(xiàn)有技術(shù)，石墨烯無(wú)法完全脫離其他材料單獨(dú)制造防彈產(chǎn)品。因此，利用石墨烯優(yōu)異的抗沖擊性能，將石墨烯添加到現(xiàn)有防彈材料中提升結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品的防彈性能，逐漸成為重點(diǎn)發(fā)展方向。2017年12月，歐洲防務(wù)局啟動(dòng)一項(xiàng)為期12個(gè)月的研究，探索石墨烯在軍事領(lǐng)域潛在應(yīng)用領(lǐng)域及其對(duì)歐洲國(guó)防工業(yè)的影響。該研究主要聚焦3大目標(biāo)：第一，全面分析和評(píng)估石墨烯在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用水平及應(yīng)用前景，分析其技術(shù)成熟度，并評(píng)估所需投資數(shù)額等;第二，在歐洲防務(wù)局的支持下，制定一份石墨烯在國(guó)防領(lǐng)域應(yīng)用中具備前瞻性且符合實(shí)際的發(fā)展路線圖;第三，通過(guò)在科技期刊上發(fā)表多篇科技論文，證明石墨烯在軍事相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用潛能。其中在防彈方面，研究結(jié)果表明石墨烯具有很大潛力：將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的石墨烯摻雜到現(xiàn)有的防彈結(jié)構(gòu)材料中，即可將防彈性能提升16.2%。根據(jù)歐盟防務(wù)局當(dāng)時(shí)的預(yù)測(cè)，石墨烯增強(qiáng)的輕質(zhì)防彈材料，需要進(jìn)一步開展應(yīng)用研究，分析成本效益，在技術(shù)進(jìn)步后，有望經(jīng)過(guò)3～5年的發(fā)展正式投入應(yīng)用。

3? 石墨烯在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

自石墨烯優(yōu)異的抗沖擊性能被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，很多國(guó)家和地區(qū)的科研人員，針對(duì)石墨烯防彈這一潛在應(yīng)用方向，開展了卓有成效的研究工作，材料技術(shù)成熟度正不斷提升。從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，利用石墨烯提升防彈衣等軟質(zhì)護(hù)甲防彈性能的研究成果最為突出。

常見的軍用和警用防彈衣，一般需要滿足3大要素：第一，能夠多次抵擋多種攻擊，如口徑不同的子彈、匕首等;第二，能夠從材料層面限制防彈衣背面變形程度（BFD），減少對(duì)穿著者的傷害;第三，能夠使得穿著者感到舒適，保持機(jī)動(dòng)性和靈活性。圍繞這3點(diǎn)，利用石墨烯強(qiáng)化纖維，在現(xiàn)有防彈材料基礎(chǔ)上研發(fā)并制造出性能更加出眾的產(chǎn)品，是目前石墨烯防彈發(fā)展最快、最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1 利用石墨烯制造防彈衣引發(fā)應(yīng)用研究熱潮

二維平面結(jié)構(gòu)的石墨烯很難轉(zhuǎn)化為纖維的形式，而碳納米管在制造纖維的過(guò)程中易發(fā)生纏結(jié)，需要進(jìn)行復(fù)雜的后處理。為了解決上述問(wèn)題，韓國(guó)首爾漢陽(yáng)大學(xué)的金善中教授及其研究團(tuán)隊(duì)于2014年開發(fā)出了一種石墨烯-碳納米管雜化纖維，其具體做法是：首先將石墨烯分散在水中，最大限度地提高其褶皺程度，使二維平面石墨烯呈“螺旋狀”;之后在聚合物溶液中對(duì)“螺旋狀”石墨烯進(jìn)行濕法紡絲，成功獲得了石墨烯-聚合物纖維;最后再通過(guò)化學(xué)法去除其中的聚合物成分，最終得到石墨烯纖維。與此同時(shí)，在濕法紡絲過(guò)程中，將石墨烯與碳納米管混合誘導(dǎo)其發(fā)生“自組裝”，即可不經(jīng)過(guò)后處理工序，獲得石墨烯—碳納米管雜化纖維。這種雜化纖維具有優(yōu)異的機(jī)械性能，其強(qiáng)度是單一納米材料增強(qiáng)纖維的10倍以上。與其他材料相比，雜化纖維是最常見蜘蛛絲強(qiáng)度的6倍，是常用防彈衣材料凱夫拉纖維強(qiáng)度的12倍。此外，石墨烯—碳納米管雜化纖維還具備優(yōu)異的抗扭性、耐用性、柔韌性和彈性，在防彈衣中具有很大應(yīng)用潛力。

此后，利用石墨烯制造高性能防彈衣的探索逐漸深入。西班牙海軍 與西班牙特爾西奧東方海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、阿爾加梅卡海軍基地以及西班牙卡塔赫納理工大學(xué)，自2016年開始共同進(jìn)行了一項(xiàng)為期18個(gè)月的研究，探索石墨烯在防彈系統(tǒng)中的應(yīng)用，其主要內(nèi)容是根據(jù)北約標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)和制造可模擬實(shí)彈射擊的實(shí)驗(yàn)性綜合彈道系統(tǒng)，完成一系列納米（石墨烯）復(fù)合材料的生產(chǎn)制造工作，以測(cè)試其抵抗實(shí)彈的彈道沖擊的能力，這一實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)就是設(shè)計(jì)未來(lái)具有革命性升級(jí)的防彈背心。2018年，英國(guó)政府通過(guò)國(guó)防安全與加速器計(jì)劃資助帝國(guó)理工學(xué)院，探索石墨烯在未來(lái)防彈裝甲材料中的應(yīng)用，具體技術(shù)路徑是：首先將石墨烯與蠶絲相結(jié)合，形成輕薄的復(fù)合材料薄膜;隨后利用特殊的試驗(yàn)設(shè)備對(duì)復(fù)合材料薄膜進(jìn)行沖擊試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，與普通的蠶絲材料相比，經(jīng)石墨烯強(qiáng)化后材料的強(qiáng)度獲得了大幅度提升。由于蠶絲具有很好的生物相容性，因此這種材料有潛力成為未來(lái)防彈衣或其他人體可穿戴防護(hù)裝備的用材。

2019年3月，英國(guó)石墨烯復(fù)合材料公司開發(fā)出了一種石墨烯增強(qiáng)的防彈盾GC Shield，并開啟眾籌進(jìn)行系列化產(chǎn)品開發(fā)與研究。同年5月，英國(guó)托馬斯斯旺公司（Thomas Swan）與石墨烯復(fù)合材料公司達(dá)成合作，提供GNP—M級(jí)石墨烯進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)工作。GC Shield防護(hù)盾具有輕質(zhì)、便于攜帶等特點(diǎn)，具有靈活的防刺和防彈性能，經(jīng)過(guò)測(cè)試，可近距離多次阻止以AR—15步槍為代表使用的M193小口徑子彈到北約M80狙擊步槍使用的7.62mm×51mm大口徑子彈之間的所有口徑子彈（見圖2所示）。這項(xiàng)研究成果以模擬實(shí)戰(zhàn)的方式證明了石墨烯增強(qiáng)的防彈裝備實(shí)用中出色的抗彈性，也表明石墨烯防彈產(chǎn)品可以真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用。

3.2 石墨烯增強(qiáng)的防彈衣產(chǎn)品已投入應(yīng)用

最近2年，由于應(yīng)用研究進(jìn)展迅速，基于石墨烯增強(qiáng)纖維的防彈衣產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，并陸續(xù)配備武裝力量使用，一些公司也推出了石墨烯防彈產(chǎn)品進(jìn)行商業(yè)銷售。

2020年4月，英國(guó)PlanarTech公司宣布與泰國(guó)IDEATI達(dá)成協(xié)議，推廣應(yīng)用其2AM系列石墨烯增強(qiáng)防彈背心和防彈板產(chǎn)品（見圖3所示）。2AM是一種由石墨烯和超高分子聚乙烯組成的復(fù)合材料，它利用了石墨烯可顯著提升強(qiáng)度的特性來(lái)制造超輕型防彈衣。由2AM材料制成的A—10418產(chǎn)品，是目前市面上最?。?0mm）、最輕（1.8kg）、且獲得美國(guó)國(guó)家司法協(xié)會(huì)（NIJ）彈測(cè)認(rèn)證合格的IV級(jí)獨(dú)立防彈板。向復(fù)合材料中添加石墨烯納米顆?？捎行У膶ⅹ?dú)立防彈板背面變形程度降低至僅11.3mm。2AM系列產(chǎn)品已批量生產(chǎn)，并至少交付1 000件供泰國(guó)皇家陸軍使用。

2020年11月，美國(guó)Citizen Armor公司使用ATEK防衛(wèi)系統(tǒng)公司授權(quán)的石墨烯技術(shù)制造新型防彈衣、背包和防護(hù)盾等產(chǎn)品，并正式對(duì)外銷售。ATEK公司使用的特殊材料配方被稱為Nano—Protek?，這是一種專有的納米增強(qiáng)高拉伸強(qiáng)度復(fù)合材料，主要利用芳綸纖維、碳納米管、石墨烯和其他高強(qiáng)度納米材料，迅速釋放沖擊能量，專用于軟裝甲解決方案。利用Nano—Protek?技術(shù)制造的防彈衣（見圖4所示）相比傳統(tǒng)防彈衣不僅質(zhì)量減少多達(dá)66%，且材料柔軟，防彈衣更加靈活合身，大大提升了穿著的舒適性。Nano—ProtekTM不僅利用了納米顆粒的柔韌性和強(qiáng)度，而且還具有防水性。傳統(tǒng)的芳綸纖維防彈衣在遇水或潮濕環(huán)境中時(shí)防彈能力降低，而Nano—ProtekTM即使完全浸入水中仍不影響其防彈性，解決了傳統(tǒng)軟裝甲材料的主要缺點(diǎn)。此外，Nano—ProtekTM還大大提升了防彈衣的耐用性，防彈衣結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性更高，可貯存和使用更長(zhǎng)的時(shí)間。

阻擋子彈只是第一步，對(duì)于防彈衣來(lái)說(shuō)，背面變形程度（BFD）與子彈穿透防彈衣同樣會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)。如果BFD過(guò)大，即使子彈沒(méi)有穿透防彈背心，也可能對(duì)人體肌肉、骨骼甚至內(nèi)部器官造成損害。美國(guó)國(guó)家司法協(xié)會(huì)（NIJ）已經(jīng)為警用、軍用和普通安全防彈衣制定了一套嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)被全球各國(guó)接受。根據(jù)NIJ的要求，背面變形程度的通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)為不大于44mm。使用標(biāo)準(zhǔn)子彈射擊時(shí)，利用Nano—ProtekTM制造的防彈衣BFD通常為14～19mm間，遠(yuǎn)低于NIJ規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)。截至2020年底，針對(duì)Nano—ProtekTM制造的防彈衣，測(cè)試者使用了種類繁多的子彈對(duì)一件防彈衣持續(xù)不斷的進(jìn)行射擊，防彈衣直到完全損壞前共承受住了113次射擊，抵御的彈種覆蓋了全球所有主流口徑。對(duì)于彈片、匕首的攻擊，這款新型防彈衣也能對(duì)穿著者形成保護(hù)。

4? 結(jié)語(yǔ)

除了利用石墨烯改進(jìn)現(xiàn)有纖維強(qiáng)度，提升軟裝甲性能外，石墨烯還可以作為常見金屬、復(fù)合材料的納米添加劑，提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能，進(jìn)而提升防彈能力。例如，英國(guó)卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院和Haydale公司曾于2014年11月聯(lián)合宣布研究驗(yàn)證了石墨烯納米薄片（GNP）和碳納米管（CNT）增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的技術(shù)。研究人員將功能化石墨烯加入樹脂，可使樹脂剛度提升1倍;當(dāng)添加到碳纖維復(fù)合材料中，抗壓強(qiáng)度增加了13%，碰撞后抗壓性能增加了50%，抗沖擊性能顯著提升。此后也有大量研究成果表明，石墨烯不僅能夠提高樹脂、纖維和金屬的剛度、強(qiáng)度等力學(xué)性能，還能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，石墨烯本身的結(jié)構(gòu)特性也保證改性后的材料抗沖擊性能提升，實(shí)現(xiàn)更好的抗彈擊效果。

目前，利用石墨烯增強(qiáng)纖維原理制造的新型防彈衣已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用，利用相似的原理，也可以制造諸如防爆盾、護(hù)甲片、頭盔等防彈裝備。而將石墨烯添加到現(xiàn)有的復(fù)合裝甲板中，不僅能夠制造出應(yīng)用于車輛的防彈結(jié)構(gòu)，還能夠顯著降低現(xiàn)有防彈材料的面密度，減輕質(zhì)量，在直升機(jī)（座椅、風(fēng)擋、艙門、槳葉等）、運(yùn)輸機(jī)（底部艙門、油箱等）等需要兼顧減重與防彈需求的航空裝備中具有廣泛應(yīng)用前進(jìn)。此外，由于石墨烯無(wú)色透明，因此有潛力用于防彈玻璃、觀察窗等透明部件，在車輛、直升機(jī)等裝備中應(yīng)用。

石墨烯作為一種抗沖擊性、防彈性能優(yōu)異的材料，現(xiàn)有技術(shù)水平仍只能將其作為納米添加劑或改性劑，雖然這種方式的確提升了現(xiàn)有材料性能，但并未完全發(fā)揮石墨烯顛覆性的性能。因此，將石墨烯用作萬(wàn)能添加劑只是應(yīng)用石墨烯的過(guò)渡方案，探索單獨(dú)利用石墨烯制造和應(yīng)用防彈材料，才是真正發(fā)揮石墨烯顛覆性防彈性能的未來(lái)。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.012

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[14] Citizen Armor.Utah company offers civilian body armor that is far superior to kevlar [EB/OL].（2020—11—26）[2021—2—25]. https：//www.ksl.com/article/50051537/utah-company-offers-civilian-body-armor-that-is-far-superior-to-kevlar.

[15] GNTM Defence System.Body Armor With Nano-Protek On The Inside[EB/OL].（2020—11—16）[2021—2—21].https：//www.gntmco.com/pages/nano-protek/.