石墨烯在防弹领域的发展现状和产业应用简析

陈济桁

无论是“充电10min使电动车续航1000km”的电池，还是“硅时代后最具发展潜力的半导体材料”，电池和半导体一直是石墨烯应用领域中最受关注的2大标签。事实上，电学性能只是石墨烯优异特性的一方面，优良的力学性能也是石墨烯之所以能够被称为“21世纪最具有划时代意义的材料”的重要原因。石墨烯是已知机械强度最高的材料，其强度百倍于钢，而质量却只有一张纸的1/1 000，拉伸模量130GPa，理论模量可达到1 000MPa，同时还兼具良好韧性、可弯曲性和延展性。正因如此，石墨烯无论是单独作为一种全新的结构材料或是作为现有结构材料的改性添加剂，都具有极高应用价值和潜力。在众多潜在应用领域中，基于石墨烯的防弹材料发展超出预期，甚至成为率先实现军事应用突破的重要方向。

1  防弹材料需求正不断增加

近年来，全球地区安全局势危机不断升级，大大小小的军事冲突频发，打击手段不断多元化、智能化、高毁伤化的同时，对于装备防护性能要求也不断增加。新冠疫情肆虐致使部分国家政治局势不稳，社会不安定因素增加，传统军用装备逐渐有社会化、商品化趋势，尤其以防弹衣和防弹车辆最为典型。这意味着传统军用产品受众市场群体已不仅仅拘泥于武装力量和政府部门，更广泛的社会群体、企业个人也成为了目标客户，防弹材料的需求和市场空间旋即增大。

以允许合法持枪的美国为例，枪械社会化泛滥带来的后果就是枪支暴力犯罪激增。美国皮尤研究中心2017年通过对3 930名美国成年人开展全国代表性调查，了解枪支在美国民众中的持有和使用情况。结果显示，受访者中每10人中就有4人曾经持有枪械或居住在持槍的家庭中，超过70%的受访者表示曾开过枪，其中包括了55%从未合法拥有枪支的成年人。此外，23%的人声称自己或家人曾被枪支恐吓。随着美国新冠疫情持续恶化和其他政治因素影响，枪支买卖市场受到进一步刺激。据华盛顿邮报报道，2021年1月美国枪支销售量超过了200万支，比2020年同期增长了80%。枪械泛滥难以管制，防具需求随之增加。防弹衣、防爆盾、防弹头盔等装备，已经由军用、警用物资，变成了直接面向消费者的产品。

2020年末，伊朗核科学家——法赫里扎德在伊朗街头遇刺身亡，他乘坐轿车防弹性能不足且本人未身着防弹装备是致命的关键。这一事件在震惊世界的同时，也凸显了在动荡时局和地区对于防弹装备需求的迫切。这一客观事实促使越来越多的厂商瞄准了这一市场，积极开发和推广防弹产品。

2  石墨烯具有优异的防弹潜能

材料防弹机理大致分为2类：一类是依靠防弹材料自身的强度和硬度“硬扛”，使入射弹体碎裂后将碎片弹开，常见于坦克、飞机、装甲车辆等用于抵抗高速、大口径弹击，主要材料为钢、铝、钛等金属及硬质陶瓷等;另一类则是通过抵消入射子弹动能，以“吸能”的方式实现防弹，常用于软式防弹衣中以抵挡低速、小口径子弹的攻击，主要用材包括耳熟能详的“凯夫拉”纤维、超高分子聚乙烯纤维等。石墨烯由蜂窝状连接在一起的碳原子组成，结构稳定性高，配合其优异力学性能，保证了石墨烯具有出色的抗冲击性能，理论上可成为杰出的防弹材料。

在早期石墨烯性能研究中，大多数研究机构往往聚焦石墨烯的电学性能，少量针对石墨烯力学性能的研究也主要集中在拉伸强度，特别是拉伸断裂前石墨烯能够承受的最大应力等，而对于石墨烯抗冲击能力的研究相对较少。2014年，美国莱斯大学材料实验室率先开展了激光诱导射弹撞击试验（LIPIT）：利用激光的能量以极高速度将微粒射向目标。在此基础上，莱斯大学教授 Edwin Thomas与麻省大学阿默斯特分校Jae-Hwang Lee优化了试验条件，开创性的以高精度、3 000m/s的速度射出单个微粒模拟子弹，射向约10～100nm厚、最大不超过300层石墨烯的薄板，微粒击中石墨烯薄板并最终击穿。不过，在被击穿前的3ns内，石墨烯薄板在微粒撞击点处承受冲击力产生背部锥形拉伸形变，然后沿径向向外开裂，在这一过程中吸收了微粒的大量动能（见图1所示）。根据估算，石墨烯的蜂窝结构可以22.2km/s的速度迅速分散冲击力，中断通过材料形成的外展波。根据这一数据水平推算，石墨烯的抗冲击性能比钢强10倍，能够达到传统凯夫拉防弹衣的2倍以上。试验中模拟子弹的微粒速度是常用M16步枪子弹初速（约900m/s）的3倍以上、AK-47步枪（710m/s）的4倍以上。这项试验首次证实了石墨烯出众的防弹性能潜力。

2017年，纽约城市大学的研究人员开发了一种名为“钻石烯”的材料，主要由碳化硅衬底和双层石墨烯组成。这种材料在正常状态下如金属箔一样轻质、柔性，但当材料承受瞬时机械压力（冲击）时，可展现如金刚石般的硬度。研究人员首先通过计算机建模印证了概念的可行性，随后经过原子力显微镜向碳化硅衬底的双层石墨烯施加局部压力，通过对样件的测试验证了计算机模拟的结果，再次证明了石墨烯的防弹性能和防弹应用潜力。

不过，基于现有技术，石墨烯无法完全脱离其他材料单独制造防弹产品。因此，利用石墨烯优异的抗冲击性能，将石墨烯添加到现有防弹材料中提升结构或产品的防弹性能，逐渐成为重点发展方向。2017年12月，欧洲防务局启动一项为期12个月的研究，探索石墨烯在军事领域潜在应用领域及其对欧洲国防工业的影响。该研究主要聚焦3大目标：第一，全面分析和评估石墨烯在军事领域的应用水平及应用前景，分析其技术成熟度，并评估所需投资数额等;第二，在欧洲防务局的支持下，制定一份石墨烯在国防领域应用中具备前瞻性且符合实际的发展路线图;第三，通过在科技期刊上发表多篇科技论文，证明石墨烯在军事相关领域的应用潜能。其中在防弹方面，研究结果表明石墨烯具有很大潜力：将质量分数为2%的石墨烯掺杂到现有的防弹结构材料中，即可将防弹性能提升16.2%。根据欧盟防务局当时的预测，石墨烯增强的轻质防弹材料，需要进一步开展应用研究，分析成本效益，在技术进步后，有望经过3～5年的发展正式投入应用。

3  石墨烯在防弹领域的应用研究现状

自石墨烯优异的抗冲击性能被发现以来，很多国家和地区的科研人员，针对石墨烯防弹这一潜在应用方向，开展了卓有成效的研究工作，材料技术成熟度正不断提升。从实际应用效果来看，利用石墨烯提升防弹衣等软质护甲防弹性能的研究成果最为突出。

常见的军用和警用防弹衣，一般需要满足3大要素：第一，能够多次抵挡多种攻击，如口径不同的子弹、匕首等;第二，能够从材料层面限制防弹衣背面变形程度（BFD），减少对穿着者的伤害;第三，能够使得穿着者感到舒适，保持机动性和灵活性。围绕这3点，利用石墨烯强化纤维，在现有防弹材料基础上研发并制造出性能更加出众的产品，是目前石墨烯防弹发展最快、最成熟的应用领域。

3.1 利用石墨烯制造防弹衣引发应用研究热潮

二维平面结构的石墨烯很难转化为纤维的形式，而碳纳米管在制造纤维的过程中易发生缠结，需要进行复杂的后处理。为了解决上述问题，韩国首尔汉阳大学的金善中教授及其研究团队于2014年开发出了一种石墨烯-碳纳米管杂化纤维，其具体做法是：首先将石墨烯分散在水中，最大限度地提高其褶皱程度，使二维平面石墨烯呈“螺旋状”;之后在聚合物溶液中对“螺旋状”石墨烯进行湿法纺丝，成功获得了石墨烯-聚合物纤维;最后再通过化学法去除其中的聚合物成分，最终得到石墨烯纤维。与此同时，在湿法纺丝过程中，将石墨烯与碳纳米管混合诱导其发生“自组装”，即可不经过后处理工序，获得石墨烯—碳纳米管杂化纤维。这种杂化纤维具有优异的机械性能，其强度是单一纳米材料增强纤维的10倍以上。与其他材料相比，杂化纤维是最常见蜘蛛丝强度的6倍，是常用防弹衣材料凯夫拉纤维强度的12倍。此外，石墨烯—碳纳米管杂化纤维还具备优异的抗扭性、耐用性、柔韧性和弹性，在防弹衣中具有很大应用潜力。

此后，利用石墨烯制造高性能防弹衣的探索逐渐深入。西班牙海军 与西班牙特尔西奥东方海军陆战队、阿尔加梅卡海军基地以及西班牙卡塔赫纳理工大学，自2016年开始共同进行了一项为期18个月的研究，探索石墨烯在防弹系统中的应用，其主要内容是根据北约标准，设计和制造可模拟实弹射击的实验性综合弹道系统，完成一系列纳米（石墨烯）复合材料的生产制造工作，以测试其抵抗实弹的弹道冲击的能力，这一实验目标就是设计未来具有革命性升级的防弹背心。2018年，英国政府通过国防安全与加速器计划资助帝国理工学院，探索石墨烯在未来防弹装甲材料中的应用，具体技术路径是：首先将石墨烯与蚕丝相结合，形成轻薄的复合材料薄膜;随后利用特殊的试验设备对复合材料薄膜进行冲击试验测试。测试结果表明，与普通的蚕丝材料相比，经石墨烯强化后材料的强度获得了大幅度提升。由于蚕丝具有很好的生物相容性，因此这种材料有潜力成为未来防弹衣或其他人体可穿戴防护装备的用材。

2019年3月，英国石墨烯复合材料公司开发出了一种石墨烯增强的防弹盾GC Shield，并开启众筹进行系列化产品开发与研究。同年5月，英国托马斯斯旺公司（Thomas Swan）与石墨烯复合材料公司达成合作，提供GNP—M级石墨烯进行产品研发工作。GC Shield防护盾具有轻质、便于携带等特点，具有灵活的防刺和防弹性能，经过测试，可近距离多次阻止以AR—15步枪为代表使用的M193小口径子弹到北约M80狙击步枪使用的7.62mm×51mm大口径子弹之间的所有口径子弹（见图2所示）。这项研究成果以模拟实战的方式证明了石墨烯增强的防弹装备实用中出色的抗弹性，也表明石墨烯防弹产品可以真正实现量产应用。

3.2 石墨烯增强的防弹衣产品已投入应用

最近2年，由于应用研究进展迅速，基于石墨烯增强纤维的防弹衣产品已经实现了量产，并陆续配备武装力量使用，一些公司也推出了石墨烯防弹产品进行商业销售。

2020年4月，英国PlanarTech公司宣布与泰国IDEATI达成协议，推广应用其2AM系列石墨烯增强防弹背心和防弹板产品（见图3所示）。2AM是一种由石墨烯和超高分子聚乙烯组成的复合材料，它利用了石墨烯可显著提升强度的特性来制造超轻型防弹衣。由2AM材料制成的A—10418产品，是目前市面上最薄（20mm）、最轻（1.8kg）、且获得美国国家司法协会（NIJ）弹测认证合格的IV级独立防弹板。向复合材料中添加石墨烯纳米颗粒可有效的将独立防弹板背面变形程度降低至仅11.3mm。2AM系列产品已批量生产，并至少交付1 000件供泰国皇家陆军使用。

2020年11月，美国Citizen Armor公司使用ATEK防卫系统公司授权的石墨烯技术制造新型防弹衣、背包和防护盾等产品，并正式对外销售。ATEK公司使用的特殊材料配方被称为Nano—Protek?，这是一种专有的纳米增强高拉伸强度复合材料，主要利用芳纶纤维、碳纳米管、石墨烯和其他高强度纳米材料，迅速释放冲击能量，专用于软装甲解决方案。利用Nano—Protek?技术制造的防弹衣（见图4所示）相比传统防弹衣不仅质量减少多达66%，且材料柔软，防弹衣更加灵活合身，大大提升了穿着的舒适性。Nano—ProtekTM不仅利用了纳米颗粒的柔韧性和强度，而且还具有防水性。传统的芳纶纤维防弹衣在遇水或潮湿环境中时防弹能力降低，而Nano—ProtekTM即使完全浸入水中仍不影响其防弹性，解决了传统软装甲材料的主要缺点。此外，Nano—ProtekTM还大大提升了防弹衣的耐用性，防弹衣结构性能稳定性更高，可贮存和使用更长的时间。

阻挡子弹只是第一步，对于防弹衣来说，背面变形程度（BFD）与子弹穿透防弹衣同样会带来危险。如果BFD过大，即使子弹没有穿透防弹背心，也可能对人体肌肉、骨骼甚至内部器官造成损害。美国国家司法协会（NIJ）已经为警用、军用和普通安全防弹衣制定了一套严格的标准，目前已经被全球各国接受。根据NIJ的要求，背面變形程度的通过标准为不大于44mm。使用标准子弹射击时，利用Nano—ProtekTM制造的防弹衣BFD通常为14～19mm间，远低于NIJ规定的最低标准。截至2020年底，针对Nano—ProtekTM制造的防弹衣，测试者使用了种类繁多的子弹对一件防弹衣持续不断的进行射击，防弹衣直到完全损坏前共承受住了113次射击，抵御的弹种覆盖了全球所有主流口径。对于弹片、匕首的攻击，这款新型防弹衣也能对穿着者形成保护。

4  結语

除了利用石墨烯改进现有纤维强度，提升软装甲性能外，石墨烯还可以作为常见金属、复合材料的纳米添加剂，提升结构强度性能，进而提升防弹能力。例如，英国卡迪夫大学工程学院和Haydale公司曾于2014年11月联合宣布研究验证了石墨烯纳米薄片（GNP）和碳纳米管（CNT）增强碳纤维复合材料力学性能的技术。研究人员将功能化石墨烯加入树脂，可使树脂刚度提升1倍;当添加到碳纤维复合材料中，抗压强度增加了13%，碰撞后抗压性能增加了50%，抗冲击性能显著提升。此后也有大量研究成果表明，石墨烯不仅能够提高树脂、纤维和金属的刚度、强度等力学性能，还能够实现结构减重，石墨烯本身的结构特性也保证改性后的材料抗冲击性能提升，实现更好的抗弹击效果。

目前，利用石墨烯增强纤维原理制造的新型防弹衣已经实现量产应用，利用相似的原理，也可以制造诸如防爆盾、护甲片、头盔等防弹装备。而将石墨烯添加到现有的复合装甲板中，不仅能够制造出应用于车辆的防弹结构，还能够显著降低现有防弹材料的面密度，减轻质量，在直升机（座椅、风挡、舱门、桨叶等）、运输机（底部舱门、油箱等）等需要兼顾减重与防弹需求的航空装备中具有广泛应用前进。此外，由于石墨烯无色透明，因此有潜力用于防弹玻璃、观察窗等透明部件，在车辆、直升机等装备中应用。

石墨烯作为一种抗冲击性、防弹性能优异的材料，现有技术水平仍只能将其作为纳米添加剂或改性剂，虽然这种方式的确提升了现有材料性能，但并未完全发挥石墨烯颠覆性的性能。因此，将石墨烯用作万能添加剂只是应用石墨烯的过渡方案，探索单独利用石墨烯制造和应用防弹材料，才是真正发挥石墨烯颠覆性防弹性能的未来。

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

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