《Materials Today Communications》：Nano-coated para-aramid fabric materials: Pull-out, friction, and fracture toughness dynamics
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本研究针对软质防弹材料中纤维间摩擦与界面力学性能不足的问题，通过迭代压缩辅助沉积法开发了纳米涂层对位芳纶织物，系统探究了纳米碳化硼(n-B4C)、多壁碳纳米管(MWCNTs)和石墨烯纳米片(GNPs)涂层对单纱/多纱拔出行为、摩擦特性及断裂韧性的影响。结果表明n-B4C涂层可显著提升Stage I能量耗散，其断裂韧性分别达到MWCNTs、GNPs和对照组的2.0/7.51/5.71倍，为软质防弹材料的纳米界面强化提供了机制框架。
在个人防护装备领域，软质防弹材料因其轻质、柔韧的特性备受关注，其中对位芳纶（para-aramid）纤维凭借其高强度、高模量和优异的热稳定性成为核心材料。然而，传统芳纶织物在承受动态冲击时，其性能受到纤维间摩擦不足和界面力学传递效率低的限制，导致能量吸收能力未能充分发挥。尤其在弹道冲击过程中，纱线的拔出（pull-out）机制是主要的能量耗散方式之一，而纤维之间的摩擦系数直接影响着拔出阻力和整体的防弹效果。尽管已有研究尝试通过化学改性、等离子处理或添加剪切增稠流体（STF）等手段进行优化，但纳米尺度界面行为与宏观力学性能之间的关联机制仍不明确。
为深入探究纳米改性对芳纶织物界面性能的强化作用，土耳其埃尔吉耶斯大学纳米技术应用与研究中心的科研团队在《Materials Today Communications》上发表了最新研究成果。该研究采用迭代压缩辅助沉积法，在对位芳纶织物表面分别构建了纳米碳化硼（nano-B4C，n-B4C）、多壁碳纳米管（MWCNTs）和石墨烯纳米片（GNPs）三种纳米涂层，系统分析了涂层对织物微观结构、热稳定性、单纱/多纱拔出行为、静动态摩擦系数以及断裂韧性的影响。研究旨在建立纳米界面现象与宏观能量耗散之间的机制关联，为下一代高性能软质防弹材料的设计提供理论依据和实践指导。
在研究过程中，作者主要运用了几类关键技术方法：首先通过迭代浸渍-压缩工艺实现纳米颗粒在芳纶纤维表面的均匀负载；利用场发射扫描电镜（FESEM）和能谱仪（EDX）分析涂层形貌与元素分布；通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和拉曼光谱（Raman）表征界面化学结构；借助热重分析（TGA）评估材料热稳定性；采用自定义夹具进行单纱、双纱及三纱拔出实验，定量评价界面摩擦与能量吸收性能；并基于ASTM D5528-01标准计算拔出断裂韧性。
3.1. 表面形貌与结构
FESEM结果显示，n-B4C、MWCNTs和GNPs均在芳纶纤维表面实现均匀包覆，其中n-B4C形成微米级颗粒簇，MWCNTs呈现纠缠的纳米管网络，GNPs则表现为二维片层结构。EDX谱图证实n-B4C涂层中硼元素含量达21.15 wt%，表明纳米颗粒有效沉积。
3.2. FTIR光谱结果
所有纳米涂层均未改变芳纶纤维的酰胺I/II特征峰位，说明纤维化学结构未被破坏。n-B4C涂层在1050 cm?1和637 cm?1处出现B-C键振动峰，证明其物理吸附于纤维表面。
3.3. 拉曼光谱结果
拉曼映射显示n-B4C涂层在1057 cm?1处具有均匀的B-C键分布，MWCNTs和GNPs涂层分别通过D峰与G峰的强度比证实其与纤维界面存在物理相互作用。
3.5. 热重分析结果
n-B4C涂层芳纶纤维的分解起始温度从526°C提升至556°C，600°C时残炭率达46 wt%，显著高于未涂层样本的13.66 wt%，表明n-B4C涂层有效提升了材料的热稳定性。
3.6. 纳米涂层织物拔出性能
单纱拔出实验中，n-B4C涂层样本的峰值拔出力最高，且在Stage I（卷曲延伸阶段）表现出更宽的粘滑振荡；三纱拔出时，n-B4C和MWCNTs涂层样本的拔出力分别达到未涂层样本的8.49倍和7.76倍。GNPs涂层因片层滑移效应导致拔出阻力降低。
3.6.2. 初始交织破裂力
n-B4C涂层在单纱、双纱和三纱拔出中的破裂力均显著高于其他样本，例如单纱状态下比GNPs涂层高6.85倍，而GNPs涂层因平滑表面导致破裂力比未涂层样本低34.32%。
3.6.3. 拔出断裂韧性
n-B4C涂层样本的断裂韧性在单纱、双纱和三纱实验中分别达到未涂层样本的5.71倍、7.57倍和4.12倍，而GNPs涂层样本的韧性值均低于未涂层组，进一步证实其润滑作用不利于能量吸收。
3.7. 纳米摩擦性能
干态静摩擦系数测试中，n-B4C涂层纱线在单纱、双纱和三纱条件下的摩擦系数均最高（0.314–0.333），较GNPs涂层提升约2.2倍。湿态环境下所有样本摩擦系数普遍下降，但n-B4C涂层仍保持最优性能。
3.8. 纳米涂层织物拔出机制
机理分析表明，n-B4C和MWCNTs通过纳米-纳米及纳米-纤维间的机械互锁与摩擦增强作用提升拔出阻力；GNPs则因片层间滑移效应降低界面摩擦，导致能量耗散能力下降。
本研究通过系统实验与表征揭示：n-B4C纳米涂层可通过对芳纶纤维表面的物理包覆与界面强化，显著提升织物的拔出阻力、断裂韧性及摩擦性能，尤其在Stage I能量耗散阶段表现突出。其断裂韧性达到MWCNTs、GNPs和未涂层样本的2.0倍、7.51倍和5.71倍，证实n-B4C在软质防弹材料中具有显著的界面增强潜力。相反，GNPs的平滑片层结构导致润滑效应，不利于冲击能量吸收。该研究不仅建立了纳米涂层与宏观力学性能的关联模型，还为高性能防护材料的定向设计提供了可靠的工艺路线与理论支撑。未来研究可进一步优化纳米涂层浓度、拓展至多层织物系统，并结合人工智能模拟预测复杂冲击条件下的材料行为。
