高性能纤维材料在航空航天、防弹防护及民用工业等领域的冲击防护应用中具有至关重要的作用。与传统钢装甲通过碎片分散和局部能量分布抵御威胁不同，软体防弹衣利用聚合物纤维通过宏观拉伸变形和受控断裂来吸收能量。具有高刚度、高强度和高延展性的纤维展现出更优异的抗穿透能力。

然而，现有材料在强度、韧性和环境稳定性之间始终存在难以调和的矛盾。聚对苯撑苯并咪唑对苯二甲酰胺（PBIA）纤维作为一类杂环芳纶，因在聚合物链中引入杂环单体而成为知名的高性能材料，其理论强度超过30 GPa。然而，由于纤维取向不足和聚合物链间界面相互作用较弱，目前PBIA纤维的拉伸强度远低于理论值，严重制约了其冲击防护应用。尽管已有优化聚合、精纺工艺、机械处理和化学修饰等策略被用于提升PBIA纤维力学性能，但其动态力学强度始终低于8 GPa，表明PBIA纤维的性能仍有巨大的提升空间。

针对上述瓶颈，中国科学院苏州纳米所‌和北京大学、武汉大学合作，开发出一种通过原位聚合氧化石墨烯（GO）并结合湿法纺丝技术显著增强杂环芳纶动态力学性能的策略。

GO/PBIA纤维的合成策略及其在抗冲击领域的应用

首先，研究团队采用与纯PBIA纤维完全相同的湿法纺丝参数制备GO/PBIA复合纤维，聚合后在PBIA单体中引入GO。同时，为制备高韧性纤维，在PBIA和GO/PBIA合成过程中添加了含醚基团的柔性单体（PBIA-O和GO/PBIA-O纤维）。SEM图显示，纯PBIA纤维与GO/PBIA复合纤维表面形貌几乎相同，表明GO的加入并未影响纤维的可纺性。GO/PBIA纤维展现出良好的柔韧性和可拉伸性，纤维束排列整齐，编织织物结构规整，为GO/PBIA纤维在抗冲击领域的应用奠定了基础。

GO/PBIA复合纤维的结构与性能表征

力学性能测试结果表明，GO能够高效提升PBIA纤维的准静态力学性能。GO/PBIA纤维的拉伸强度和韧性较纯PBIA纤维分别提升了16.03%和16.9%，同时GO的引入同样全面增强了PBIA-O纤维的力学性能。与UHMWPE纤维和Kevlar®纤维等商业纤维相比，GO/PBIA和GO/PBIA-O纤维在拉伸强度和断裂伸长率方面均展现出显著优势。在实际应用中，PBIA纤维常面临循环载荷和紫外辐照等复杂工况，循环加载实验表明，GO的引入能够有效减缓其强度下降速率并增强抗紫外性能。

研究团队利用分离式霍普金森拉杆系统对纤维在高应变率下的动态力学性能进行了系统评估。结果表明，GO/PBIA复合纤维在约500 s⁻¹的高应变率下实现了（10.63±0.9）GPa的超高动态强度，较纯PBIA纤维提升了47.23%。在此基础上，通过引入含醚基团的柔性单体进一步聚合，GO/PBIA-O复合纤维的动态韧性达到（277.25±49.12）MJ/m³，较PBIA纤维的准静态韧性提升了143.01%。此外，研究团队采用激光诱导微粒冲击测试直接评价纤维的冲击性能。结果显示，GO/PBIA纤维具有最高的比能量耗散功率。

GO/PBIA复合纤维的力学性能

在相同面密度和结构参数下，研究人员使用PBIA和GO/PBIA-O纤维制备了平纹织物，以直接评估其在实际加载条件下的抗冲击性能。落锤冲击测试表明， GO/PBIA-O织物的最大载荷、能量和位移随冲击能量增加逐渐增大，在相同冲击能量下展现出更高的最大载荷和能量吸收以及更小的位移，其最大冲击载荷较PBIA织物提高了40.46%，能量吸收提升了34.89%，凹陷深度降低了2.21%。宏观损伤图像显示，PBIA织物在50 J冲击能量下出现断裂迹象，而GO/PBIA-O织物仅有少数单根纤维断裂。

GO/PBIA-O织物的抗冲击性能

本研究为制备超高动态强度抗冲击纤维材料提供了切实可行的技术途径。相关论文以“High-Performance Heterocyclic Aramid Fibers Reinforced by Graphene Oxide for Advanced Impact-Resistant Applications”为题，发表在Advanced Materials上。

（来源：高分子科学前沿）