共价键连接凯夫拉-碳纳米管复合材料高通量计算与力学性能研究

In the last 40 years, Kevlar is the dominating material for the development of soft body armors. However, Kevlar has the disadvantages such as non-moisture-proof and non-UV-proof, which urges scientists to develop next-generation super fibers. Carbon Nanotube (CNT) has a theoretical strength at the level of 100 GPa, therefore, the composite of Kevlar and CNT has the potential to become future super fiber. However, current Kevlar and CNT are only connected by physical interactions, and the mechanical performance of the composite is limited. This application will investigate the ideal molecular structures of Kevlar-CNT composites. This research has the following contents: to evaluate the mechanical performance of the composites by high throughout computation; to fabricate structure-controllable Kevlar-CNT composites, and to characterize the mechanical performance of composites at the nanoscale. This application will solve the basic scientific problems with respects to multiscale modeling, nanoscale failure mechanisms and nano-mechanical characterizations. This research will provide supports to the development of soft body armor in China.

凯夫拉纤维在过去40年中占据着软质防弹服研发的绝对主导地位。然而凯夫拉纤维的耐水性差、耐紫外线性差等缺点促使各国大力研究下一代超级纤维材料。碳纳米管具备100GPa数量级的理论强度，因此碳纳米管和凯夫拉组成的复合纤维具备成为超高强度纤维的潜力。然而现有凯夫拉-碳纳米管复合材料中两种材料组分仅依靠物理作用连接，限制了其力学性能。本项目将从计算和试验两个角度探索共价键连接凯夫拉-碳纳米管复合材料的力学性能。具体研究内容包括：通过高通量计算评估复合材料力学性能；制备结构可控的凯夫拉-碳纳米管复合材料；对复合材料进行纳米尺度力学表征。本项目拟解决多尺度模拟，复合材料分子尺度变形机理和纳米力学表征三方面的基本科学问题。预期得到两项成果：可靠的多尺度模型和增强复合材料的制备方法。本项目的预期研究成果将为中国单兵防护装备的发展提供支持。

本课题研究重点有三个：针对碳纳米管增强凯夫拉纤维的分子模拟与高通量计算；碳纳米管增强复合材料的制备；碳纳米管增强复合材料的力学性能多尺度表征。在项目的研究过程中，负责人深度参与了我国某些重点型号的研究，将本项目的研究内容与国家重大需求紧密连接起来，主要针对碳纳米材料增强复合材料的阻尼性能和复合材料管件的耐冲击性能开展了大规模的研究，取得了一系列研究成果。在该项目的支持下，项目研究团队发表论文共计19篇，其中SCI检索论文17篇，申请发明专利4项。在本项目研究成果支撑下，负责人新获批国家自然科学基金面上项目1项、军科委基础加强项目1项、辽宁省重点研发计划1项，并参与国家“科技冬奥”重点研发项目1项。项目进行过程中培养了4名博士研究生，其中2人已毕业（张笑闻，2021年6月；张可，2021年12月），12名硕士研究生，毕业7人。具体论文及项目标注情况请见成果列表。