中国科大与北京航空航天大学合作提出新型全碳抗冲击结构

受珍珠层等天然分级结构启发，研究团队设计了石墨烯/碳纳米管网络/石墨烯（Gr/CNTNs/Gr）连续夹层结构。与传统“砖—泥”式离散结构不同，该结构没有容易被局部高速撞击直接穿过的缝隙，而是由两层连续石墨烯夹住一层致密缠结的碳纳米管网络。

图1 Gr/CNTNs/Gr夹层结构模型与高速冲击模拟示意图

模拟结果表明，这一结构在高速撞击时形成了清晰的“三级防护”：顶层石墨烯首先迎接撞击并快速分散动量；中间碳纳米管网络通过弯曲、拉伸和管间滑动吸收大量能量，其耗能占比超过50%；底层石墨烯则通过大变形延缓裂纹扩展，并限制碎片进一步飞出，起到类似“安全网”的作用。

图2 2 km/s冲击下的速度场演化与能量耗散过程

原位拉曼光谱进一步揭示了界面应变传递的厚度依赖性。结果显示，15 nm 异质结构中石墨烯 2D 峰对应变的响应灵敏度显著高于 80 nm 样品，说明在强限域条件下，外加载荷能够更有效地从聚合物层传递至石墨烯层。需要指出的是，拉曼测试在多层聚合物-石墨烯层压结构中进行，其结果反映的是层状结构中的有效应变传递响应。由于不同厚度样品采用相同的制备和测试条件，其相对差异仍能够反映厚度对界面载荷传递能力的影响。研究还发现，撞击速度会改变材料的“防守方式”。在较低速度下，材料有更多时间发生整体变形，应力波可以向较大范围传播，碳纳米管网络主要依靠拉伸和滑动耗能；随着撞击速度升高，作用时间迅速缩短，损伤逐渐集中到撞击区域，失效模式由全局变形转向局部断裂和碎片化。

图3 冲击速度驱动的失效模式转变与能量分配演化

中间层的碳纳米管也并非越多越好。研究团队比较了不同网络密度后发现，密度太低时，碳纳米管无法形成有效的传力通道；密度过高时，管间滑动受到限制，缓冲能力反而下降。在扣除厚度变化带来的影响后，单位厚度吸能和比能量吸收均在约0.29 g/cm3时达到峰值，其中比能量吸收达到10.4 MJ/kg，远超高强度钢、凯夫拉以及石墨烯/聚乙烯复合材料，为轻质防护材料的结构设计提供了明确的优化方向。

图4 碳纳米管网络密度对冲击响应和能量吸收的影响

为了验证理想化刚性弹体假设是否会影响结论，团队进一步引入了可变形铝弹体。结果显示，弹体在较低速度下会发生塑性压扁，在更高速度下则会明显碎裂，这些变化会重新分配局部能量和载荷，但夹层结构吸收的总能量变化不大。说明在研究整体抗冲击能力和速度相关失效机制时，刚性弹体仍可作为合理近似，而在关注局部接触和弹体碎裂时则需要考虑弹体变形。

图5 刚性弹体与可变形铝弹体冲击行为对比

与单一材料相比，这种夹层结构的优势不只在于“吸能高”。在3 km/s撞击下，其比能量吸收约为多层石墨烯的两倍；同时，高速危险碎片携带的动能相比纯碳纳米管膜降低约67%，显著抑制了二次伤害风险。也就是说，这种结构在吸收能量的同时，更能维持整体结构和控制碎片飞溅，实现更均衡的防护。 

更具工程意义的是，夹层结构在被击穿后仍能保留一定的连续承载框架。团队据此提出了简单的石墨烯补丁修复策略：在受损区域重新覆盖石墨烯，即可部分恢复承载能力。修补后的结构在第二次3 km/s撞击中仍保留约43%的初始比能量吸收能力。进一步模拟显示，随着撞击次数增加，中间碳纳米管网络的不可逆损伤逐步积累，最终成为决定使用寿命的关键层。这意味着未来的防护结构不仅可以追求“一次挡住”，还可以进一步考虑可维护性和多次服役能力。

图6 Gr/CNTNs/Gr复合结构的协同防护性能与可修复性