Wetenschappers creëren nieuwe kogelvrije vezels die sterker en dunner zijn dan Kevlar

Kevlar heeft zijn gelijke gevonden. Het is al tientallen jaren de gouden standaard voor bescherming tegen stoten, van kogelvrije vesten tot gepantserde voertuigen, en wordt nog steeds veel gebruikt. Maar wetenschappers hebben nu een nieuw composietmateriaal ontwikkeld dat sterker, taaier en beter in het tegenhouden van kogels is dan Kevlar, ook al is het veel dunner. Hun studie is gepubliceerd in het journaal Materie.

Om botsingen met hoge snelheid, zoals een kogel, te voorkomen, moet een materiaal bestand zijn tegen breken onder kracht (hoge sterkte) en veel energie kunnen absorberen zonder te verbrijzelen of te bezwijken (hoge taaiheid). Er is echter een probleem met de huidige oplossingen, zoals Kevlar, dat is gemaakt van aramidevezels. Wanneer wetenschappers proberen deze vezels sterker te maken, worden ze vaak brozer, waardoor het moeilijk wordt om beide tegelijkertijd te bereiken. Dit is een veel voorkomende afweging in de materiaalkunde wanneer je de algehele prestaties van een materiaal probeert te verbeteren.

Stappen richting een supervezel

Maar na zes jaar aan dit probleem te hebben gewerkt, hebben Jin Zhang van de Universiteit van Peking, China, en zijn collega’s een oplossing bedacht. Ze creëerden een nieuw type vezel door twee materialen te combineren: een heterocyclisch aramide, een hoogwaardige vezel vergelijkbaar met Kevlar, en behandelde lange koolstofnanobuisjes (tl-SWNT’s). Deze supersterke koolstofbuizen zijn ongelooflijk stijf en licht van gewicht, en veel dunner dan een mensenhaar.

De sleutel tot het creëren van de nieuwe supervezel lag niet alleen in het combineren ervan, maar ook in de manier waarop de onderzoekers ze op een rij hebben gezet. Ze dwongen de aramideketens en koolstofnanobuisjes om recht en evenwijdig aan elkaar te zijn. Ze bereikten dit door de basis-aramidevezel flexibeler te maken en gebruikten vervolgens een meerstaps rekproces om de polymeerketens en nanobuisjes perfect uit te lijnen. Deze uitlijning is van fundamenteel belang omdat hierdoor de componenten zo stevig aan elkaar worden vastgezet dat de kettingen bij een botsing niet langs elkaar kunnen glijden. Daarom kan het materiaal meer energie opnemen zonder te falen.

Beter dan kevlar

De wetenschappers onderwierpen hun nieuwe materiaal aan hogesnelheidstests, waaronder ballistische tests die vergelijkbaar zijn met die voor kogelvrije vesten. Het bereikte een dynamische sterkte die aanzienlijk hoger was dan die van bestaande vezels, en het vermogen om energie te absorberen verdubbelde het vorige record ruimschoots, tot 706,1 megajoule per kubieke meter. Wanneer deze nieuwe supervezel tot een stof werd geweven, vertoonde deze superieure anti-ballistische prestaties vergeleken met de huidige beschermende stoffen.

“Onze studie presenteert niet alleen een effectieve strategie voor de fabricage van aramidevezels met ultrahoge dynamische sterkte en de hoogste geregistreerde dynamische taaiheid, maar biedt ook nieuwe inzichten in mechanismen”, schreef het team in hun artikel.

Als deze vezel uiteindelijk wordt gebruikt, kan deze toekomstige beschermende uitrusting dramatisch lichter, dunner en veiliger maken.