Vật liệu chống đạn mới bền gấp 3 lần Kevlar

Xô đổ “vương miện” của Kevlar

Trang tin Cơ khí Phổ thông trực tuyến Mỹ (PMC) số đầu tháng 11/2025 cho biết, kể từ khi được phát minh, Kevlar đã cứu sống hàng nghìn người nhờ polyme tổng hợp nhẹ và bền. Tuy nhiên, Kevlar vẫn chưa phải là giải pháp tối ưu nhất về khả năng chống đạn, và giờ đây một vật liệu dệt bằng ống nano carbon ra đời, bền gấp 3 lần Kevlar và chỉ dày 1,8 mm.

Vật liệu mới đề cập là sản phẩm của  Đại học Bắc Kinh, Trung Quốc (UoP) do kỹ sư  Jin Zhang đứng đầu sau 6 năm nghiên cứu và phát triển. Vật liệu được ra đời bằng cách kết hợp các ống nano carbon với polyme aramid (cũng được sử dụng trong Kevlar) nhưng được căn chỉnh đúng cách để chống trượt dưới tác động mạnh.

Theo Viện Tư pháp Quốc gia Mỹ, kể từ khi Kevlar được phát minh hồi thập niên 60 thế kỷ trước, nó đã cứu sống ít nhất 3.000 cảnh sát Mỹ. Xét trên nhiều phương diện, đây là một kỳ tích của khoa học vật liệu, và theo thời gian,  mặc dù hiệu suất và quy trình sản xuất Kevlar được cải tiến nhưng nó cũng phải nhường đường cho thế hệ đàn em.

Một số ứng viên tiếp theo của Kevlar được ví  như "áo giáp xích" phân tử, gốc polymer, chẳng hạn như Dyneema, thậm chí là cả tơ nhện nữa. Riêng vật liệu mới của UoP có thể xô đổ kỷ lục của Kevlar vì nhẹ và bền hơn bởi được kết hợp từ  nhiều ống nano carbon (CNT).

 Lý do Kevlar bền gấp 3 lần Kevlar

Nhiều người trong chúng ta có thể đã nghe nói về những ống carbon nano, chúng nổi tiếng với khả năng dẫn nhiệt vượt trội (đó là lý do tại sao các nhà khoa học đang thử nghiệm sử dụng chúng để thay thế silicon trong chip máy tính) và độ bền kéo cực cao. Đặc điểm thứ hai thu hút sự quan tâm của UoP chính là độ bền động và độ dẻo dai cực lớn, rất phù hợp cho mục tiêu bảo vệ chống va đập, dùng cho an ninh, quốc phòng như giáp chống đạn, xe cộ hay máy bay.

Theo trưởng nhóm Jin Zhang, sợi mới của  UoP đã được công bố trên tạp chí Matter, nó vượt trội so với tất cả các loại sợi polymer hiệu suất cao vĩ mô đã được báo cáo. Trong nghiên cứu, Jin Zhang và các đồng nghiệp đã mô tả cách họ sắp xếp CNT với polymer aramid - một vật liệu tổng hợp cũng được biết đến với độ bền và khả năng chịu nhiệt cực cao (và cũng được sử dụng trong sản xuất Kevlar). Thông thường, khi cố gắng tạo ra những polymer này, chúng lại trở nên giòn nhưng đó chính là lúc CNT phát huy tác dụng.

Các ống nano carbon - về mặt kỹ thuật được gọi là ống nano dài đơn vách đã qua xử lý (tl-SWNT) - cực kỳ bền và mỗi ống mỏng như sợi tóc người. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã làm cho các chuỗi aramid và CNT song song với nhau bằng cách làm cho các chuỗi aramid linh hoạt hơn, sau đó kéo căng chúng đến vị trí phù hợp. Cấu trúc nano này cho phép các thành phần về cơ bản khóa chặt vào vị trí và tránh trượt qua nhau, cho phép vật liệu hấp thụ nhiều năng lượng hơn (hay còn gọi là tác động mạnh hơn) mà không bị hỏng.

Sau một loạt các thử nghiệm đạn đạo, Jin Zhang và nhóm của ông đã xác nhận rằng vật liệu gia cố bằng ống nano carbon của họ có thể hấp thụ 706,1 megajoule trên mét khối, gấp đôi kỷ lục hiện tại. "Sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo dai là một thách thức dai dẳng trong khoa học vật liệu. Nghiên cứu này cung cấp một hiểu biết mới mẻ và một lộ trình khả thi để khai thác hiệu suất cơ học nội tại của các chuỗi polymer ở cấp độ vĩ mô", Jin Zhang cho hay.

Các polymer tổng hợp như Kevlar và Dyneema đại diện cho những đỉnh cao nhất mà nhân loại đã đạt được trên con đường đổi mới về khả năng bảo vệ đạn đạo, nhưng những nghiên cứu như thế này cho thấy vẫn còn một chặng đường dài phía trước trước để chúng ta đạt đến đỉnh cao thực sự.

 Vài nét về Kevlar và Dyneema

Kevlar là một loại sợi tổng hợp para-aramid siêu bền, nhẹ, có độ bền kéo cao hơn thép khoảng 5 lần nhưng lại nhẹ hơn thép rất nhiều. Nó được phát triển bởi DuPont của Mỹ vào năm 1965 và được sử dụng trong nhiều ứng dụng như áo giáp chống đạn, lốp xe, dây thừng tàu, và các sản phẩm bảo hộ. Kevlar có tính năng chống nhiệt, chịu được hóa chất, nhưng nhạy cảm với tia cực tím và có khả năng chịu nén kém… Kevlar bắt đầu phân hủy ở khoảng 450 độ C và có thể chịu được nhiệt độ lạnh đến -196 độ C. 

Kevlar còn có khả năng tự dập tắt lửa, chống lại nhiều loại hóa chất, axit, bazơ và vẫn giữ nguyên đặc tính khi tiếp xúc với nước trong thời gian dài.  Kevlar còn có khả năng chống cắt và mài mòn, phù hợp cho các sản phẩm bảo hộ như găng tay.  Nhược điểm chính của Kevlar là khả năng chịu nén thấp, không thay thế được thép trong các công trình xây dựng. Nhạy cảm với tia UV, có thể bị suy giảm chất lượng và đổi màu khi tiếp xúc lâu với ánh sáng mặt trời.

Dyneema là tên thương mại cho một loại vật liệu sợi siêu bền làm từ polyethylene có trọng lượng phân tử cực cao (UHMWPE), ra đời vào cuối những năm 1960. Sản phẩm của công ty DSM (hiện tại là một phần của Avient) ở Hà Lan. Nó được biết đến với độ bền kéo cao gấp 15 lần thép nhưng lại nhẹ hơn đáng kể. Dyneema được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cần tới sức mạnh và trọng lượng nhẹ, đặc biệt là chế tạo tấm chống đạn cho áo giáp, xe cộ, máy bay và tàu thuyền.