中国科大《Mater Des》：石墨烯/CNT网络夹层层压板，用于航空航天微陨石防护罩、无人机外壳等

成果简介

现代航空航天与国防防护系统要求材料在严控重量的同时具备极高的比能量吸收（SEA）、高比强度与结构稳定性，然而传统防护材料往往难以兼顾”轻、强、韧”。碳纳米材料（尤其是石墨烯与碳纳米管 CNT）凭借其卓越的力学性能成为冲击防护的有力候选；但纯石墨烯层压板在高应变率载荷下易发生层间剪切失效与分层，而 CNT 薄膜虽善于耗散能量，其面内强度却低于石墨烯，且穿孔后易碎裂为有害碎片、带来二次损伤风险。因此，设计兼具高刚度、高效能量耗散与损伤容限的轻量化防护结构具有重要意义。基于此，本文，中国科学技术大学 汪国睿 特任教授、Zhong Zhang，北京航空航天大学潘飞  副教授等团队在《Materials & Design》发表名为”Dynamic failure and energy dissipation in graphene–carbon nanotube laminates under high-velocity impact”的论文，研究提出了一种受自然界”砖–泥”结构启发的功能梯度全碳连续夹层构型——以 CNT 网络桥接相邻连续石墨烯片层，构筑石墨烯/CNT 网络/石墨烯（Gr/CNTNs/Gr）夹层复合层压板，并采用粗粒度分子动力学（CG-MD）仿真解析其高速冲击响应。

此外，CNT 网络层作为可调阻尼介质，使顶部石墨烯的快速碎裂、CNT 网络内的弯曲与管间滑移、以及底部石墨烯受剪控制的变形相互协同，在抑制破片飞溅的同时实现多级能量耗散，优化了材料的整体防护性能。经严格的几何与质量归一化分析，该层压板在最优 CNT 密度 ρCNT=0.29 g/cm³ 处，单位厚度吸能与比能量吸收（SEA，10.4 MJ/kg）同时收敛到统一最优值。在冲击速度 vi=3 km/s 时，该层压板的 SEA 为纯石墨烯的 2 倍，且较 CNT 薄膜将有害碎片动能降低约 67%。同时，材料冲击后保留承载骨架，可通过简单的石墨烯贴片修复以抵御二次冲击，性能优于钢、芳纶（Kevlar）与石墨烯/聚合物复合材料。本研究提出了一种”分级全碳夹层”的架构级设计范式，揭示了速度驱动下的失效模式转变与密度控制的 SEA 最优值，为分级碳层压板建立了设计准则，也为纳米尺度冲击防护物理提供了基本认识。

图文导读

Fig. 1. (a) Schematic of the coarse-grained (CG) mapping strategy for graphene (4:1) and CNT networks (50:1), illustrating the assembly of the Gr/CNTNs/Gr layered architecture. (b) Assembled Gr/CNTNs/Gr composite model (80×80×10 nm) prior to relaxation, with a rigid diamond projectile (radius 7 nm). (c) Schematic of the high-velocity impact setup, indicating projectile velocity (𝑣𝑖) and fixed boundary conditions (green). (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article).

Fig. 2. (a) Velocity distribution evolution (0–20 ps), with residual projectile velocity (𝑣𝑟=1.47 km/s). (b) Temporal evolution of total system energy, with dissipation initiated at 𝑡=1.5 ps. (c) Partitioning of kinetic energy (KE) and potential energy (PE) among top graphene (T_Gr), CNT networks, and bottom graphene (B_Gr) at 30 ps. (d) Energy decomposition into bond stretching, angle bending, dihedral torsion, and vdW interactions, highlighting CNT-dominated absorption with partial elastic recovery.

Fig. 3. (a) Correlation between residual (𝑣𝑟) and initial velocity (𝑣𝑖), with snapshots at 0.5 km/s, 1.0 km/s, 2.5 km/s and 4.5 km/s illustrating rebound, embedding, penetration, and fragmentation regimes. (b) Velocity-dependent energy partitioning. (c) CNT deformation and failure at 𝑣𝑖 = 1.5 km/s dominated by stretching and inter-tube sliding. (d) CNT fragmentation at 𝑣𝑖 = 4.5 km/s dominated by covalent bond rupture and ejection.

Fig. 4. (a) Velocity fields of composites with varying 𝜌CNT = 0.25, 0.33, 0.41 g/cm³, showing delamination suppression at higher densities. (b) Residual velocity (𝑣𝑟) versus CNT density. (c) Energy partitioning, mass-normalized SEA (olive curve), and geometrically-normalized energy absorption per unit thickness 𝐸model/ℎave (pink curve) as functions of CNT density. (d) CNT potential energy contributions from bond stretching, angle bending, and vdW interactions. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article).

Fig. 5. (a) Representative impact morphologies of rigid and deformable Al projectiles at 2 km/s and 5 km/s. (b) Velocity histories of rigid and deformable Al projectiles over the velocity range of 1 km/s to 6 km/s. (c) Energy partitioning into impactor potential energy (Impactor PE), target potential energy (Target PE), and target kinetic energy (Target KE). ‘R’ and ‘D’ denote rigid and deformable projectiles, respectively.

Fig. 6. (a–c) failure morphologies at 𝑣𝑖 = 3 km/s: (a) MLG fails through extensive crack branching; (b) CNT networks disintegrate via massive debris pull-out; (c) the composite exhibits hierarchical and progressive failure. (d) projectile velocity decay and peak force at 𝑣𝑖 = 3 km/s. (e) Radar chart evaluating the comprehensive protection performance. (f) Demonstration of repairability. (g) Benchmarking SEA across length scales, materials, and methodologies.

小结

在本研究中，利用粗粒化分子动力学模拟揭示了连续的、类似三明治结构的Gr/CNTNs/Gr层压材料如何响应高速冲击，以及其功能梯度结构如何重新分配和消散能量。模拟结果表明，该层压板通过脆性、耗能和界面机制的综合序列发挥作用，包括顶层石墨烯的快速碎裂、碳纳米管网络内部的大容量弯曲和滑动，以及底层石墨烯中的裂纹阻滞。这种分层结构使碳纳米管夹层能够吸收超过一半的冲击能量，同时保持部分可恢复性，这是可重复使用防护系统的一项关键特性。

冲击速度决定了层压板的主导失效模式，在𝑣50 ≈ 1 km/s 附近，失效模式会从反弹和嵌入明显转变为穿透和碎裂。更高的冲击速度会缩短相互作用时间，并逐渐抑制分布式变形，从而促使高度局部的粘结断裂，这说明了分层纳米材料中能量耗散路径的速率依赖性。CNT密度为调节防护响应提供了额外的设计手段。增加网络密度最初会增强载荷传递，并在𝜌CNT ≈0.37~g/cm³时使绝对能量吸收达到最大值。然而，无论是几何归一化的能量吸收还是质量比特吸收能量（SEA），均在较低的密度（约 0.29⁢ g/cm³）处达到峰值，这通过该厚度解耦框架消除了结构加固与质量增加之间的传统权衡关系。

关键在于，超越了理想化的刚性弹丸假设，利用可变形铝制撞击体进行的额外模拟进一步阐明了本模型在实际冲击条件下的适用性。尽管弹体的变形会显著改变局部能量分配，但在所研究的速率范围内，层压板吸收的总能量基本保持不变。这些结果表明，刚性弹体近似法适用于评估层压板的整体抗冲击性能及其与速度相关的失效机制，而在解析局部应力重分布和弹体-目标相互作用时，则必须采用可变形弹体模型。

得益于这些固有的分层耗散机制和外部缓冲效应，该层压材料实现了高SEA、降低碎片危害以及快速动量衰减的理想组合，其性能超越了单体MLG、CNT薄膜以及钢和凯夫拉尔等传统材料。除了单次冲击性能外，该层压材料在冲击后的完整性也具有重要的工程意义。与会发生大面积拔出和网络破坏的单体碳纳米管薄膜不同，Gr/CNTNs/Gr结构在穿透后仍能保持连续的承重框架。将弹道模拟扩展至连续的冲击-修复循环后发现，该层压材料具有有限的可修复使用寿命。修复后的结构在第二次冲击中仍保留了约43%的初始SEA，但在第三次冲击后，由于CNT层间累积的不可逆退化，该值降至1.54 MJ/kg（约为初始值的15%）。这些结果表明，CNT网络是该结构中限制使用寿命的关键组件，并证明将可更换的石墨烯表层与牺牲型能量耗散核心相结合，为可重复使用的轻量化防护系统提供了一种极具前景的策略。从工程角度来看，该结构还兼容基于石墨烯化学气相沉积（CVD）生长、碳纳米管网络转移、真空辅助堆叠以及聚合物浸渍的可扩展制造工艺，这为可部署的超薄防护层指明了一条切实可行的路径。

展望未来，将这些层压材料整合到多层或梯度结构中，通过LIPIT或微型弹道测试在实验中验证其响应性能，并探索其环境鲁棒性（温度、氧化、湿度），对于将这一概念转化为航空航天微陨石防护罩、无人机（UAV）外壳、柔性装甲及其他极端环境系统至关重要。本研究成果为利用分级碳纳米结构进行下一代抗冲击材料的理性设计奠定了基础。

文献：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2026.116835