超级军网[转帖]： 纳米复合材料装甲研究
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纳米复合材料装甲研究
1999年4月12～13日，在美国陆军士兵系统中心举行了有关士兵防弹用纳米复合材料的研讨会。来自学术界、工业界和政府的研究人员和管理人员参加了这次研讨会，发表了创造性的意见，讨论了纳米技术在发展改进人体装甲用材料中的潜力。研讨人员确定了必须面临的挑战以及探索纳米复合材料应用于装甲的机遇。
1、引言
1999年4月12日，在美国陆军士兵系统中心举行了"士兵防弹用纳米复合材料"研讨会。该研讨会讨论了纳米技术和特种纳米材料在发展战斗人员用抗弹新材料中可能起的作用。50位专门从事纳米材料研究的科学家，代表工业界、学术界和政府机构参加了这次会议。本篇报告概述了代表们在这个研讨会和随后于1999年4月13日举行的政府代表会议上发表的意见以及所作的结论。
2、背景
最近，一个相畴为数十纳米尺寸的复合材料制造技术报告引起了材料科学界的极大注意。这些材料与化学成分相同、但相畴比纳米尺寸大的复合材料相比，大大地提高了性能。纳米复合材料大幅度提高性能，不会象把增强填充物添加到材料中的技术那样牺牲材料的其它性能。例如，一种普遍的现象是，当把微米尺寸的硬粒子增强物添加到聚合物中之时，在增加弹性模量的同时会损害断裂韧性。相反，纳米尺寸的增强物可在宽范围内提高复合材料的性能。纳米复合材料还具有明显不同于组成原材料的性能，例如导电率，提高耐火性能或降低透气性。
因为已经表明纳米复合材料可以应用于许多领域，所以人们进行了大量研究，以便阐明纳米复合材料性能的由来，以及发展这种类型的新材料。迄今还没有研究的一个潜在应用领域是利用纳米复合材料防弹，尤其没有研究过纳米复合材料的超高速或者抗弹应变速率性能。
目前，士兵穿着的防弹服装，即人体装甲，根据不同的防弹要求，重量可达8.165千克以上。这一重量占士兵总负荷的相当大的一个比例。由于这个原因，目前旨在减轻单个战斗人员负荷的研究和发展项目，对士兵系统的这个部分都给予了特别的关注。
鉴于人们早期观察到纳米复合材料提高了机械性能，Natick士兵中心（NSC）材料科学小组开始了研究纳米复合材料抗弹性能的一项计划。这项研究打算确定，近期在相对现有设计减轻重量的防弹系统的材料研究中，纳米复合材料起作用的可能性。陆军研究实验室在"设计装甲材料"这个陆军的战略研究目标（SRO）范围内，正在进行包括纳米材料技术在内的其它新型装甲材料方案的研究。
3、研讨会的目标
这次研讨会的目标是打算回答"纳米技术在发展士兵防弹用新材料的过程中可能起什么样的作用"这个问题。这个打算的重点集中在纳米材料大量潜在用途之外的防弹这个单独的问题上，因为这是NSC最优先的任务之一，也是陆军的SRO攻关课题之一。鉴于这种情况，进行了广泛的研讨。在研讨中，涉及了从纳米复合材料这个术语的定义，到安全使用与纳米粒子原材料加工的实际方案等大量问题。
研讨会的其它目标是交流信息和制订计划。Natick 士兵研究中心和陆军研究实验室的代表介绍了有关目前人体装甲的情况，以及有关改进装甲材料的方案与目前研究工作。在NSC的主持和国防先进研究项目局（DARPA）的支持下，以及通过ARA/ARO执行的多学科大学研究首创（MURI）计划，正在进行上述的一些工作。在研讨会期间，学术界和工业界的代表报道了纳米材料领域内的一些最新发展。研讨会的第二天，政府的代表参加了一个保密会议，讨论了目前和未来的研究计划。
4、陆军代表的意见综述
陆军研究实验室的高级科学家Gary Hagnauer概述了陆军装甲材料的研究计划。该计划包括在题目为"设计的装甲材料"的一项战略研究目标之中。该战略研究目标的长期技术目标如下：
先进的装甲设计，这些装甲设计把防弹、防核生化（NBC）、防电磁和防火与隐身、动力、探测、计算、通讯以及未来陆军系统的结构要求集成为一体；
新颖、轻型、集成和多功能材料/结构，它们能够大大提高生存能力，具有极大的通用性，满足多方面的系统要求；
超轻型人体装甲，具有宽范围的防护能力，可防破片弹、箭形弹、枪弹和冲击波；
控制和管理所有军事信号的先进方法，这些被控制的军事信号包括光学信号、电磁信号和声源信号；
Natick士兵中心防弹小组的领导Janet Ward介绍了NSC人体装甲计划。在研讨会上，向到会者展示了现用人体装甲的一些例子。NSC研究和发展项目对人体装甲提出的的重要要求是：
提高侵彻抗力，抗多发弹打击，重量轻，体积小；
防冲击波和冲击波产生的超高压；
降低成本；
可生产；
舒适；
耐久性。
在研讨中确定的技术难题和挑战是：
了解材料组成部分在经受宽范围弹丸打击时于抗弹时间范围内的复杂相互作用；
用于防弹系统的高性能材料的研究和集成；
在提高防护等级的条件下，降低重量，减少体积；
在抗弹的高应变速率下了解人体与装甲系统耦合的特性；
确定最小数量的材料系统独立试验议定书，以便模拟在可能降低抗弹性能的使用条件下的极端值。
（宋继鑫 供稿）纳米复合材料装甲研究（中）
5.研讨会讨论意见概述
纳米复合材料应用于先进的人体装甲具有很大的潜力。援引的资料是迄今发表的技术报告，它们表明，某些基体－纳米填充物复合材料与原基体材料相比，大大提高了性能。其它的资料指出，纳米复合材料具有无"混合物性能规律"，即复合材料的性能可能超过任意单一组分的性能。至今，似乎无人鉴定具有不同成分相的纳米复合材料的抗弹性能。由这次研讨会苦心收集到的重要论据之一，是纳米材料，尤其是纳米复合材料领域的研究还处于萌芽状态。极少数的纳米复合材料进行了大量生产。通常，已制备材料的表征没有完成。通过研讨可知，人们对迄今观察到的各种"纳米－效应"的起源了解很差。必须对基础研究继续进行投资，以便使人们了解所谓的"纳米－效应"的起源以及如何设计纳米复合材料，从而控制这些效应，并使其达到最佳化。必须进行更多的应用研究，以便扩大合成物以及纳米复合材料的工艺方法，为结构－性能鉴定制造试验试样。
这次研讨会还提出，材料模拟的现状是，不能在生产前充分预测纳米复合材料的性能。在研讨中反复阐明，必须进行许多其它的项目，以便发展充分阐述纳米尺寸结构对组件材料性能影响的模型。大量纳米复合材料成分存在于不同材料（例如聚合物基体和纳米粒子弥散相）之间的所谓中间相区中，准确阐述这种复杂的相互作用，对成功完成预测这类材料的模型是必不可少的。
6、意见和建议
6.1 "纳米"复合材料的定义
参加会议的人员普遍认为，纳米复合材料这个术语适用于至少一个相的一维尺寸小于100纳米的多相（或非均质）材料。100纳米阈值的根据是发表的资料记载数据，即当弥散相的尺寸达到100纳米数量等级时，人们最常观察到材料性能发生非线性变化。资料中还提出，当弥散相的尺寸（在高纵横比弥散相中的纳米尺寸）与分离长度之比为1:1时，可以最清楚地观察到"纳米效应"，这表明，"纳米效应"对弥散相的浓度有制约的依赖关系。
6.2 探索特殊用途的纳米复合材料的关键作用
下列性能突出了纳米复合材料结构的特性，纳米复合材料结构可能有利于设计上具有特殊功能（包括耐冲击性）的材料。
每单位体积具有高界面面积；
具有潜在的独特和可控制性能的中间相材料的体积大；
控制程度高的结构；
非平衡相稳定（观察到的情况）；
非均匀物质之间的间隔小（扩散路径短）；
连续相中有趣的限制效应；
无"混合物性能规律"。
6.3 研究设计和制造纳米复合材料过程中提出的重大问题
包括几何性能在内的粒子性能；
中间相性能；
相浓度（影响限制体积）；
弥散；
二次（中间）结构；
表征；
可生产性 。
尤其是弥散问题，是到会者当作成功制备具有最佳性能纳米复合材料的重要问题而反复提出的。改变粒子表面的化学组成和化学性质获得了完全（即纳米尺寸）的弥散程度，改变粒子表面的化学组成和化学性质也影响中间相区。同控制中间相象弥散问题一样，是到会者当作控制纳米复合材料性能的重要问题而经常提出的，显然，弥散和中间相成分问题不可避免地联系到一起。
还没有确定，什么样的粒子或中间相性能将提供最佳的抗弹材料性能。有可能，硬质粒子特别有利于复合材料使弹丸破碎，而通过其它增强相畴成分可能较有效地消耗弹丸的能量。可能非常不同的中间相特性能够最好地应用于不同的弹丸摧毁机制。
表征应用于描述复合材料结构的许多特征，也许最重要的特征是弥散和中间相成分。为了制备具有再现性的纳米复合材料，必须认真地鉴定和控制这些要素。
可生产性指能够再现和经济地制造这种纳米复合材料，并且能够以相当大的规模把这些材料制成试样和试件，以便充分鉴定其性能。
6.4 近期有可能获得并应用于人体装甲的纳米复合材料
下列纳米复合材料被认为能够获得足够的数量，并具有充分的再现性，以便能够有效地试验它们对弹丸冲击的抗力。人们还认为，这些材料具有可用于装甲的性能。这些材料表明政府和大学的实验室，在一定的程度上还表明工业界（在这次研讨会上主要由小企业代表）目前正在跟踪的研究领域：
纳米碳管复合材料，
聚合物基复合材料，
陶瓷基复合材料；
纳米粘土复合材料，
具有蒙托土或其它高纵横比（合成的）的硅酸盐粒子；
含枝状晶的复合材料；
纳米透明复合材料；
具有纳米陶瓷粒子的聚合物基体；
高密度纳米复合材料（金属）；
采用微米和纳米层压材料的纳米复合材料（有序结构体系）；
梯度材料。
理论预测报告指出，纳米碳管基复合材料与传统的复合材料相比，能够显著提高性能。一项研究预测一种纳米碳管基复合材料系统在密度为3.0克/厘米3时的弹性模量达到1.33拉帕(TPa)。这些粒子的高纵横比以及可能产生具有高度各相异性的纳米尺寸结构，进一步鼓舞人们跟踪这个研究领域。
在聚合物/纳米粘土复合材料中，人们观察到明显提高材料机械性能现象。但是，这些材料还没有经受抗弹试验。这些粒子还可能产生高度有序的各向异性结构。
树枝状晶体可能有助于把其它物质弥散到复合材料中，或者把可控制的结构引入复合材料中。由于目前的透明装甲的性能明显低于不透明装甲系统的性能这个事实，纳米复合材料透明装甲有很大的可能性被首次应用于装甲。这种形势易于使纳米透明复合材料对透明装甲的性能明显改善产生影响作用。
因为获得纳米陶瓷粒子的可能性和可行性不断增加，所以如果这些粒子能够有效地弥散到聚合物基体中，则可能产生由这些粒子和聚合物组成的各种新复合材料。必须继续进行研究工作，以便发展低成本合成纳米粒子的方法、使粒子与各种材料相容的方法、纳米粒子结构和表面性能的表征的方法以及发展具有控制几何形状的纳米粒子。
最初为弹芯用途研究的高密度金属纳米复合材料，可用作层压或梯度装甲设计结构的硬质层。
通过层压技术把多种等级的材料或各相异性物质引进复合材料中，这被认为是建立吸能结构的一种有前途的方法。
生产具有成分梯度的材料被认为在近期可以做到（使用象离心铸造这样的技术），并在发展装甲材料中具有潜在的优势。
6.5 发展新装甲材料的障碍
这些问题不仅与纳米复合材料有关，而且与被认为用作装甲的所有材料有关。
缺少预测抗弹性能的试验方法；
无装甲性能（硬度、破坏能量和模量等）指标的一般描述；
抗弹性能对弹丸成分和设计（多－弹体问题）敏感的倾向；
新材料的成本和可获得性；
用新材料制造部件的工艺技术。
通常，根据静态或低应变速率试验结果，不可能预测材料的高应变速率（抗弹）性能。因此，非常需要准确预测抗弹性能的一种仪器试验方法。发展这种试验的一个重大障碍是装甲材料的抗弹性能对弹丸的成分和设计敏感。有可能使抗一种特殊弹丸的装甲达到最佳化，然后会发现，该装甲抗其它威胁更小的弹丸效果不好。
因为低速和超高速试验结果之间的相关性不好，所以，也没有一般描述复合装甲材料的指标。在这次研讨会上提出的一个例子是碳化硼的研究情况，它用作复合装甲系统中的一个组成部分。碳化硼的断裂韧性比其它装甲陶瓷的低，然而在进行抗弹试验时，它的性能却超过其它装甲陶瓷。可是，其它具有类似脆性的材料的抗弹试验效果不好。这种异常现象阻止人们企图以材料的物理性能为依据去发展成功的复合装甲材料结构。
6.6关键的研究领域
研讨会的研讨提出了可有效利用其它资源的研究领域。反复提出的研究领域列举如下：
模拟；
表征；
工艺技术；
新材料；
到会者常提出需要良好预测复合材料性能的模型。问题的难点是需说明对弥散和连续相相互作用的分子级影响作用。试验已表明，这种相互作用的特征在总的复合材料性能中起重大作用。因此，模型必须首先预测中间相的性能，然后使用这些结果预测较大尺寸的材料性能，从而获得预测复合材料性能的模型。
由于非常小的长度尺寸处于纳米复合材料结构中，所以，先进的表征方法必须探测复合材料结构的最小特性。象粒子的体积、表面成分和表面形态对研究工作是重要的。确定纳米粒子在各种基体中的弥散程度是一个重要的问题。按照尺寸、成分和机械性能表征粒子－基体中间相，对研究纳米复合材料具有重要作用。
必须发展合成和制造纳米复合材料的新的和改进的工艺方法。限制表征结构材料，尤其是表征抗弹试验的纳米复合材料的重要因素之一是，比较缺乏这样的纳米复合材料，或者不能制造体积大于几立方厘米的试样。许多研究者提出，工艺控制的一个关键方面是纳米粒子的弥散和相容。初级粒子没有完全弥散，就不可能完全实现任意给定的填充物/基体复合。另外一个有希望的研究领域是发展自组合机构，建立特殊的材料结构。必须继续研究纳米复合材料，以便把纳米复合材料加工成大尺寸形式，例如装甲这样的系统结构组件。需要利用纳米复合材料原材料，并把它们制成大尺寸的试样和样件。聚合物基复合材料使用传统的工艺方法，例如挤压或注射模塑，很难达到上述要求，其原因是聚合物系统中夹带纳米粒子，尤其是高纵横比的粒子，可能提高粘度。需要其它的工艺方法或者对现有的工艺方法进行改进，从而能制造大尺寸纳米复合材料制件，并且还有可能使纳米复合材料结构得到保存及达到最大程度。
6.7 NSC纳米材料计划的未来方向和重点
NSC纳米材料计划的直接焦点是研究"纳米技术在发展士兵防弹新材料中可能起什么样的作用"。虽然这个项目将不限制在用纳米复合材料使士兵防弹的用途中可完成什么样的工作，但是，它将有助于确定现在不知道的现有纳米复合材料技术的抗弹性能。这将能够使NSC和陆军把研究的人力和财力集中在纳米材料技术上，从而有极大可能性使未来新一代人体装甲系统的防护等级跃居首位。
NSC纳米材料计划将针对研讨会提出的重要问题进行研究工作，以便确定这些问题如何影响纳米材料的一般性能，尤其是纳米材料的抗弹丸冲击性能。它们是：
相弥散
相畴相互作用（中间相控制）
不对称相畴的取向
近期，Natick 士兵中心支持的纳米材料研究计划将集中力量研究下列材料课题：
可生产性（可获得足够数量的纳米材料，供包括抗弹试验在内的各种试验使用）
再现性（制造的试样能进行良好的表征，并具有一致性）
可加工性是选择近期跟踪研究的特殊纳米材料技术的另一个重要的准则
（宋继鑫 供稿）
1999年4月12～13日，在美国陆军士兵系统中心举行了有关士兵防弹用纳米复合材料的研讨会。来自学术界、工业界和政府的研究人员和管理人员参加了这次研讨会，发表了创造性的意见，讨论了纳米技术在发展改进人体装甲用材料中的潜力。研讨人员确定了必须面临的挑战以及探索纳米复合材料应用于装甲的机遇。
1、引言
1999年4月12日，在美国陆军士兵系统中心举行了"士兵防弹用纳米复合材料"研讨会。该研讨会讨论了纳米技术和特种纳米材料在发展战斗人员用抗弹新材料中可能起的作用。50位专门从事纳米材料研究的科学家，代表工业界、学术界和政府机构参加了这次会议。本篇报告概述了代表们在这个研讨会和随后于1999年4月13日举行的政府代表会议上发表的意见以及所作的结论。
2、背景
最近，一个相畴为数十纳米尺寸的复合材料制造技术报告引起了材料科学界的极大注意。这些材料与化学成分相同、但相畴比纳米尺寸大的复合材料相比，大大地提高了性能。纳米复合材料大幅度提高性能，不会象把增强填充物添加到材料中的技术那样牺牲材料的其它性能。例如，一种普遍的现象是，当把微米尺寸的硬粒子增强物添加到聚合物中之时，在增加弹性模量的同时会损害断裂韧性。相反，纳米尺寸的增强物可在宽范围内提高复合材料的性能。纳米复合材料还具有明显不同于组成原材料的性能，例如导电率，提高耐火性能或降低透气性。
因为已经表明纳米复合材料可以应用于许多领域，所以人们进行了大量研究，以便阐明纳米复合材料性能的由来，以及发展这种类型的新材料。迄今还没有研究的一个潜在应用领域是利用纳米复合材料防弹，尤其没有研究过纳米复合材料的超高速或者抗弹应变速率性能。
目前，士兵穿着的防弹服装，即人体装甲，根据不同的防弹要求，重量可达8.165千克以上。这一重量占士兵总负荷的相当大的一个比例。由于这个原因，目前旨在减轻单个战斗人员负荷的研究和发展项目，对士兵系统的这个部分都给予了特别的关注。
鉴于人们早期观察到纳米复合材料提高了机械性能，Natick士兵中心（NSC）材料科学小组开始了研究纳米复合材料抗弹性能的一项计划。这项研究打算确定，近期在相对现有设计减轻重量的防弹系统的材料研究中，纳米复合材料起作用的可能性。陆军研究实验室在"设计装甲材料"这个陆军的战略研究目标（SRO）范围内，正在进行包括纳米材料技术在内的其它新型装甲材料方案的研究。
3、研讨会的目标
这次研讨会的目标是打算回答"纳米技术在发展士兵防弹用新材料的过程中可能起什么样的作用"这个问题。这个打算的重点集中在纳米材料大量潜在用途之外的防弹这个单独的问题上，因为这是NSC最优先的任务之一，也是陆军的SRO攻关课题之一。鉴于这种情况，进行了广泛的研讨。在研讨中，涉及了从纳米复合材料这个术语的定义，到安全使用与纳米粒子原材料加工的实际方案等大量问题。
研讨会的其它目标是交流信息和制订计划。Natick 士兵研究中心和陆军研究实验室的代表介绍了有关目前人体装甲的情况，以及有关改进装甲材料的方案与目前研究工作。在NSC的主持和国防先进研究项目局（DARPA）的支持下，以及通过ARA/ARO执行的多学科大学研究首创（MURI）计划，正在进行上述的一些工作。在研讨会期间，学术界和工业界的代表报道了纳米材料领域内的一些最新发展。研讨会的第二天，政府的代表参加了一个保密会议，讨论了目前和未来的研究计划。
4、陆军代表的意见综述
陆军研究实验室的高级科学家Gary Hagnauer概述了陆军装甲材料的研究计划。该计划包括在题目为"设计的装甲材料"的一项战略研究目标之中。该战略研究目标的长期技术目标如下：
先进的装甲设计，这些装甲设计把防弹、防核生化（NBC）、防电磁和防火与隐身、动力、探测、计算、通讯以及未来陆军系统的结构要求集成为一体；
新颖、轻型、集成和多功能材料/结构，它们能够大大提高生存能力，具有极大的通用性，满足多方面的系统要求；
超轻型人体装甲，具有宽范围的防护能力，可防破片弹、箭形弹、枪弹和冲击波；
控制和管理所有军事信号的先进方法，这些被控制的军事信号包括光学信号、电磁信号和声源信号；
Natick士兵中心防弹小组的领导Janet Ward介绍了NSC人体装甲计划。在研讨会上，向到会者展示了现用人体装甲的一些例子。NSC研究和发展项目对人体装甲提出的的重要要求是：
提高侵彻抗力，抗多发弹打击，重量轻，体积小；
防冲击波和冲击波产生的超高压；
降低成本；
可生产；
舒适；
耐久性。
在研讨中确定的技术难题和挑战是：
了解材料组成部分在经受宽范围弹丸打击时于抗弹时间范围内的复杂相互作用；
用于防弹系统的高性能材料的研究和集成；
在提高防护等级的条件下，降低重量，减少体积；
在抗弹的高应变速率下了解人体与装甲系统耦合的特性；
确定最小数量的材料系统独立试验议定书，以便模拟在可能降低抗弹性能的使用条件下的极端值。
（宋继鑫 供稿）纳米复合材料装甲研究（中）
5.研讨会讨论意见概述
纳米复合材料应用于先进的人体装甲具有很大的潜力。援引的资料是迄今发表的技术报告，它们表明，某些基体－纳米填充物复合材料与原基体材料相比，大大提高了性能。其它的资料指出，纳米复合材料具有无"混合物性能规律"，即复合材料的性能可能超过任意单一组分的性能。至今，似乎无人鉴定具有不同成分相的纳米复合材料的抗弹性能。由这次研讨会苦心收集到的重要论据之一，是纳米材料，尤其是纳米复合材料领域的研究还处于萌芽状态。极少数的纳米复合材料进行了大量生产。通常，已制备材料的表征没有完成。通过研讨可知，人们对迄今观察到的各种"纳米－效应"的起源了解很差。必须对基础研究继续进行投资，以便使人们了解所谓的"纳米－效应"的起源以及如何设计纳米复合材料，从而控制这些效应，并使其达到最佳化。必须进行更多的应用研究，以便扩大合成物以及纳米复合材料的工艺方法，为结构－性能鉴定制造试验试样。
这次研讨会还提出，材料模拟的现状是，不能在生产前充分预测纳米复合材料的性能。在研讨中反复阐明，必须进行许多其它的项目，以便发展充分阐述纳米尺寸结构对组件材料性能影响的模型。大量纳米复合材料成分存在于不同材料（例如聚合物基体和纳米粒子弥散相）之间的所谓中间相区中，准确阐述这种复杂的相互作用，对成功完成预测这类材料的模型是必不可少的。
6、意见和建议
6.1 "纳米"复合材料的定义
参加会议的人员普遍认为，纳米复合材料这个术语适用于至少一个相的一维尺寸小于100纳米的多相（或非均质）材料。100纳米阈值的根据是发表的资料记载数据，即当弥散相的尺寸达到100纳米数量等级时，人们最常观察到材料性能发生非线性变化。资料中还提出，当弥散相的尺寸（在高纵横比弥散相中的纳米尺寸）与分离长度之比为1:1时，可以最清楚地观察到"纳米效应"，这表明，"纳米效应"对弥散相的浓度有制约的依赖关系。
6.2 探索特殊用途的纳米复合材料的关键作用
下列性能突出了纳米复合材料结构的特性，纳米复合材料结构可能有利于设计上具有特殊功能（包括耐冲击性）的材料。
每单位体积具有高界面面积；
具有潜在的独特和可控制性能的中间相材料的体积大；
控制程度高的结构；
非平衡相稳定（观察到的情况）；
非均匀物质之间的间隔小（扩散路径短）；
连续相中有趣的限制效应；
无"混合物性能规律"。
6.3 研究设计和制造纳米复合材料过程中提出的重大问题
包括几何性能在内的粒子性能；
中间相性能；
相浓度（影响限制体积）；
弥散；
二次（中间）结构；
表征；
可生产性 。
尤其是弥散问题，是到会者当作成功制备具有最佳性能纳米复合材料的重要问题而反复提出的。改变粒子表面的化学组成和化学性质获得了完全（即纳米尺寸）的弥散程度，改变粒子表面的化学组成和化学性质也影响中间相区。同控制中间相象弥散问题一样，是到会者当作控制纳米复合材料性能的重要问题而经常提出的，显然，弥散和中间相成分问题不可避免地联系到一起。
还没有确定，什么样的粒子或中间相性能将提供最佳的抗弹材料性能。有可能，硬质粒子特别有利于复合材料使弹丸破碎，而通过其它增强相畴成分可能较有效地消耗弹丸的能量。可能非常不同的中间相特性能够最好地应用于不同的弹丸摧毁机制。
表征应用于描述复合材料结构的许多特征，也许最重要的特征是弥散和中间相成分。为了制备具有再现性的纳米复合材料，必须认真地鉴定和控制这些要素。
可生产性指能够再现和经济地制造这种纳米复合材料，并且能够以相当大的规模把这些材料制成试样和试件，以便充分鉴定其性能。
6.4 近期有可能获得并应用于人体装甲的纳米复合材料
下列纳米复合材料被认为能够获得足够的数量，并具有充分的再现性，以便能够有效地试验它们对弹丸冲击的抗力。人们还认为，这些材料具有可用于装甲的性能。这些材料表明政府和大学的实验室，在一定的程度上还表明工业界（在这次研讨会上主要由小企业代表）目前正在跟踪的研究领域：
纳米碳管复合材料，
聚合物基复合材料，
陶瓷基复合材料；
纳米粘土复合材料，
具有蒙托土或其它高纵横比（合成的）的硅酸盐粒子；
含枝状晶的复合材料；
纳米透明复合材料；
具有纳米陶瓷粒子的聚合物基体；
高密度纳米复合材料（金属）；
采用微米和纳米层压材料的纳米复合材料（有序结构体系）；
梯度材料。
理论预测报告指出，纳米碳管基复合材料与传统的复合材料相比，能够显著提高性能。一项研究预测一种纳米碳管基复合材料系统在密度为3.0克/厘米3时的弹性模量达到1.33拉帕(TPa)。这些粒子的高纵横比以及可能产生具有高度各相异性的纳米尺寸结构，进一步鼓舞人们跟踪这个研究领域。
在聚合物/纳米粘土复合材料中，人们观察到明显提高材料机械性能现象。但是，这些材料还没有经受抗弹试验。这些粒子还可能产生高度有序的各向异性结构。
树枝状晶体可能有助于把其它物质弥散到复合材料中，或者把可控制的结构引入复合材料中。由于目前的透明装甲的性能明显低于不透明装甲系统的性能这个事实，纳米复合材料透明装甲有很大的可能性被首次应用于装甲。这种形势易于使纳米透明复合材料对透明装甲的性能明显改善产生影响作用。
因为获得纳米陶瓷粒子的可能性和可行性不断增加，所以如果这些粒子能够有效地弥散到聚合物基体中，则可能产生由这些粒子和聚合物组成的各种新复合材料。必须继续进行研究工作，以便发展低成本合成纳米粒子的方法、使粒子与各种材料相容的方法、纳米粒子结构和表面性能的表征的方法以及发展具有控制几何形状的纳米粒子。
最初为弹芯用途研究的高密度金属纳米复合材料，可用作层压或梯度装甲设计结构的硬质层。
通过层压技术把多种等级的材料或各相异性物质引进复合材料中，这被认为是建立吸能结构的一种有前途的方法。
生产具有成分梯度的材料被认为在近期可以做到（使用象离心铸造这样的技术），并在发展装甲材料中具有潜在的优势。
6.5 发展新装甲材料的障碍
这些问题不仅与纳米复合材料有关，而且与被认为用作装甲的所有材料有关。
缺少预测抗弹性能的试验方法；
无装甲性能（硬度、破坏能量和模量等）指标的一般描述；
抗弹性能对弹丸成分和设计（多－弹体问题）敏感的倾向；
新材料的成本和可获得性；
用新材料制造部件的工艺技术。
通常，根据静态或低应变速率试验结果，不可能预测材料的高应变速率（抗弹）性能。因此，非常需要准确预测抗弹性能的一种仪器试验方法。发展这种试验的一个重大障碍是装甲材料的抗弹性能对弹丸的成分和设计敏感。有可能使抗一种特殊弹丸的装甲达到最佳化，然后会发现，该装甲抗其它威胁更小的弹丸效果不好。
因为低速和超高速试验结果之间的相关性不好，所以，也没有一般描述复合装甲材料的指标。在这次研讨会上提出的一个例子是碳化硼的研究情况，它用作复合装甲系统中的一个组成部分。碳化硼的断裂韧性比其它装甲陶瓷的低，然而在进行抗弹试验时，它的性能却超过其它装甲陶瓷。可是，其它具有类似脆性的材料的抗弹试验效果不好。这种异常现象阻止人们企图以材料的物理性能为依据去发展成功的复合装甲材料结构。
6.6关键的研究领域
研讨会的研讨提出了可有效利用其它资源的研究领域。反复提出的研究领域列举如下：
模拟；
表征；
工艺技术；
新材料；
到会者常提出需要良好预测复合材料性能的模型。问题的难点是需说明对弥散和连续相相互作用的分子级影响作用。试验已表明，这种相互作用的特征在总的复合材料性能中起重大作用。因此，模型必须首先预测中间相的性能，然后使用这些结果预测较大尺寸的材料性能，从而获得预测复合材料性能的模型。
由于非常小的长度尺寸处于纳米复合材料结构中，所以，先进的表征方法必须探测复合材料结构的最小特性。象粒子的体积、表面成分和表面形态对研究工作是重要的。确定纳米粒子在各种基体中的弥散程度是一个重要的问题。按照尺寸、成分和机械性能表征粒子－基体中间相，对研究纳米复合材料具有重要作用。
必须发展合成和制造纳米复合材料的新的和改进的工艺方法。限制表征结构材料，尤其是表征抗弹试验的纳米复合材料的重要因素之一是，比较缺乏这样的纳米复合材料，或者不能制造体积大于几立方厘米的试样。许多研究者提出，工艺控制的一个关键方面是纳米粒子的弥散和相容。初级粒子没有完全弥散，就不可能完全实现任意给定的填充物/基体复合。另外一个有希望的研究领域是发展自组合机构，建立特殊的材料结构。必须继续研究纳米复合材料，以便把纳米复合材料加工成大尺寸形式，例如装甲这样的系统结构组件。需要利用纳米复合材料原材料，并把它们制成大尺寸的试样和样件。聚合物基复合材料使用传统的工艺方法，例如挤压或注射模塑，很难达到上述要求，其原因是聚合物系统中夹带纳米粒子，尤其是高纵横比的粒子，可能提高粘度。需要其它的工艺方法或者对现有的工艺方法进行改进，从而能制造大尺寸纳米复合材料制件，并且还有可能使纳米复合材料结构得到保存及达到最大程度。
6.7 NSC纳米材料计划的未来方向和重点
NSC纳米材料计划的直接焦点是研究"纳米技术在发展士兵防弹新材料中可能起什么样的作用"。虽然这个项目将不限制在用纳米复合材料使士兵防弹的用途中可完成什么样的工作，但是，它将有助于确定现在不知道的现有纳米复合材料技术的抗弹性能。这将能够使NSC和陆军把研究的人力和财力集中在纳米材料技术上，从而有极大可能性使未来新一代人体装甲系统的防护等级跃居首位。
NSC纳米材料计划将针对研讨会提出的重要问题进行研究工作，以便确定这些问题如何影响纳米材料的一般性能，尤其是纳米材料的抗弹丸冲击性能。它们是：
相弥散
相畴相互作用（中间相控制）
不对称相畴的取向
近期，Natick 士兵中心支持的纳米材料研究计划将集中力量研究下列材料课题：
可生产性（可获得足够数量的纳米材料，供包括抗弹试验在内的各种试验使用）
再现性（制造的试样能进行良好的表征，并具有一致性）
可加工性是选择近期跟踪研究的特殊纳米材料技术的另一个重要的准则
（宋继鑫 供稿）
[此贴子已经被作者于2003-2-10 19:36:06编辑过]
1999年4月12～13日，在美国陆军士兵系统中心举行了有关士兵防弹用纳米复合材料的研讨会。来自学术界、工业界和政府的研究人员和管理人员参加了这次研讨会，发表了创造性的意见，讨论了纳米技术在发展改进人体装甲用材料中的潜力。研讨人员确定了必须面临的挑战以及探索纳米复合材料应用于装甲的机遇。
1、引言
1999年4月12日，在美国陆军士兵系统中心举行了"士兵防弹用纳米复合材料"研讨会。该研讨会讨论了纳米技术和特种纳米材料在发展战斗人员用抗弹新材料中可能起的作用。50位专门从事纳米材料研究的科学家，代表工业界、学术界和政府机构参加了这次会议。本篇报告概述了代表们在这个研讨会和随后于1999年4月13日举行的政府代表会议上发表的意见以及所作的结论。
2、背景
最近，一个相畴为数十纳米尺寸的复合材料制造技术报告引起了材料科学界的极大注意。这些材料与化学成分相同、但相畴比纳米尺寸大的复合材料相比，大大地提高了性能。纳米复合材料大幅度提高性能，不会象把增强填充物添加到材料中的技术那样牺牲材料的其它性能。例如，一种普遍的现象是，当把微米尺寸的硬粒子增强物添加到聚合物中之时，在增加弹性模量的同时会损害断裂韧性。相反，纳米尺寸的增强物可在宽范围内提高复合材料的性能。纳米复合材料还具有明显不同于组成原材料的性能，例如导电率，提高耐火性能或降低透气性。
因为已经表明纳米复合材料可以应用于许多领域，所以人们进行了大量研究，以便阐明纳米复合材料性能的由来，以及发展这种类型的新材料。迄今还没有研究的一个潜在应用领域是利用纳米复合材料防弹，尤其没有研究过纳米复合材料的超高速或者抗弹应变速率性能。
目前，士兵穿着的防弹服装，即人体装甲，根据不同的防弹要求，重量可达8.165千克以上。这一重量占士兵总负荷的相当大的一个比例。由于这个原因，目前旨在减轻单个战斗人员负荷的研究和发展项目，对士兵系统的这个部分都给予了特别的关注。
鉴于人们早期观察到纳米复合材料提高了机械性能，Natick士兵中心（NSC）材料科学小组开始了研究纳米复合材料抗弹性能的一项计划。这项研究打算确定，近期在相对现有设计减轻重量的防弹系统的材料研究中，纳米复合材料起作用的可能性。陆军研究实验室在"设计装甲材料"这个陆军的战略研究目标（SRO）范围内，正在进行包括纳米材料技术在内的其它新型装甲材料方案的研究。
3、研讨会的目标
这次研讨会的目标是打算回答"纳米技术在发展士兵防弹用新材料的过程中可能起什么样的作用"这个问题。这个打算的重点集中在纳米材料大量潜在用途之外的防弹这个单独的问题上，因为这是NSC最优先的任务之一，也是陆军的SRO攻关课题之一。鉴于这种情况，进行了广泛的研讨。在研讨中，涉及了从纳米复合材料这个术语的定义，到安全使用与纳米粒子原材料加工的实际方案等大量问题。
研讨会的其它目标是交流信息和制订计划。Natick 士兵研究中心和陆军研究实验室的代表介绍了有关目前人体装甲的情况，以及有关改进装甲材料的方案与目前研究工作。在NSC的主持和国防先进研究项目局（DARPA）的支持下，以及通过ARA/ARO执行的多学科大学研究首创（MURI）计划，正在进行上述的一些工作。在研讨会期间，学术界和工业界的代表报道了纳米材料领域内的一些最新发展。研讨会的第二天，政府的代表参加了一个保密会议，讨论了目前和未来的研究计划。
4、陆军代表的意见综述
陆军研究实验室的高级科学家Gary Hagnauer概述了陆军装甲材料的研究计划。该计划包括在题目为"设计的装甲材料"的一项战略研究目标之中。该战略研究目标的长期技术目标如下：
先进的装甲设计，这些装甲设计把防弹、防核生化（NBC）、防电磁和防火与隐身、动力、探测、计算、通讯以及未来陆军系统的结构要求集成为一体；
新颖、轻型、集成和多功能材料/结构，它们能够大大提高生存能力，具有极大的通用性，满足多方面的系统要求；
超轻型人体装甲，具有宽范围的防护能力，可防破片弹、箭形弹、枪弹和冲击波；
控制和管理所有军事信号的先进方法，这些被控制的军事信号包括光学信号、电磁信号和声源信号；
Natick士兵中心防弹小组的领导Janet Ward介绍了NSC人体装甲计划。在研讨会上，向到会者展示了现用人体装甲的一些例子。NSC研究和发展项目对人体装甲提出的的重要要求是：
提高侵彻抗力，抗多发弹打击，重量轻，体积小；
防冲击波和冲击波产生的超高压；
降低成本；
可生产；
舒适；
耐久性。
在研讨中确定的技术难题和挑战是：
了解材料组成部分在经受宽范围弹丸打击时于抗弹时间范围内的复杂相互作用；
用于防弹系统的高性能材料的研究和集成；
在提高防护等级的条件下，降低重量，减少体积；
在抗弹的高应变速率下了解人体与装甲系统耦合的特性；
确定最小数量的材料系统独立试验议定书，以便模拟在可能降低抗弹性能的使用条件下的极端值。
（宋继鑫 供稿）纳米复合材料装甲研究（中）
5.研讨会讨论意见概述
纳米复合材料应用于先进的人体装甲具有很大的潜力。援引的资料是迄今发表的技术报告，它们表明，某些基体－纳米填充物复合材料与原基体材料相比，大大提高了性能。其它的资料指出，纳米复合材料具有无"混合物性能规律"，即复合材料的性能可能超过任意单一组分的性能。至今，似乎无人鉴定具有不同成分相的纳米复合材料的抗弹性能。由这次研讨会苦心收集到的重要论据之一，是纳米材料，尤其是纳米复合材料领域的研究还处于萌芽状态。极少数的纳米复合材料进行了大量生产。通常，已制备材料的表征没有完成。通过研讨可知，人们对迄今观察到的各种"纳米－效应"的起源了解很差。必须对基础研究继续进行投资，以便使人们了解所谓的"纳米－效应"的起源以及如何设计纳米复合材料，从而控制这些效应，并使其达到最佳化。必须进行更多的应用研究，以便扩大合成物以及纳米复合材料的工艺方法，为结构－性能鉴定制造试验试样。
这次研讨会还提出，材料模拟的现状是，不能在生产前充分预测纳米复合材料的性能。在研讨中反复阐明，必须进行许多其它的项目，以便发展充分阐述纳米尺寸结构对组件材料性能影响的模型。大量纳米复合材料成分存在于不同材料（例如聚合物基体和纳米粒子弥散相）之间的所谓中间相区中，准确阐述这种复杂的相互作用，对成功完成预测这类材料的模型是必不可少的。
6、意见和建议
6.1 "纳米"复合材料的定义
参加会议的人员普遍认为，纳米复合材料这个术语适用于至少一个相的一维尺寸小于100纳米的多相（或非均质）材料。100纳米阈值的根据是发表的资料记载数据，即当弥散相的尺寸达到100纳米数量等级时，人们最常观察到材料性能发生非线性变化。资料中还提出，当弥散相的尺寸（在高纵横比弥散相中的纳米尺寸）与分离长度之比为1:1时，可以最清楚地观察到"纳米效应"，这表明，"纳米效应"对弥散相的浓度有制约的依赖关系。
6.2 探索特殊用途的纳米复合材料的关键作用
下列性能突出了纳米复合材料结构的特性，纳米复合材料结构可能有利于设计上具有特殊功能（包括耐冲击性）的材料。
每单位体积具有高界面面积；
具有潜在的独特和可控制性能的中间相材料的体积大；
控制程度高的结构；
非平衡相稳定（观察到的情况）；
非均匀物质之间的间隔小（扩散路径短）；
连续相中有趣的限制效应；
无"混合物性能规律"。
6.3 研究设计和制造纳米复合材料过程中提出的重大问题
包括几何性能在内的粒子性能；
中间相性能；
相浓度（影响限制体积）；
弥散；
二次（中间）结构；
表征；
可生产性 。
尤其是弥散问题，是到会者当作成功制备具有最佳性能纳米复合材料的重要问题而反复提出的。改变粒子表面的化学组成和化学性质获得了完全（即纳米尺寸）的弥散程度，改变粒子表面的化学组成和化学性质也影响中间相区。同控制中间相象弥散问题一样，是到会者当作控制纳米复合材料性能的重要问题而经常提出的，显然，弥散和中间相成分问题不可避免地联系到一起。
还没有确定，什么样的粒子或中间相性能将提供最佳的抗弹材料性能。有可能，硬质粒子特别有利于复合材料使弹丸破碎，而通过其它增强相畴成分可能较有效地消耗弹丸的能量。可能非常不同的中间相特性能够最好地应用于不同的弹丸摧毁机制。
表征应用于描述复合材料结构的许多特征，也许最重要的特征是弥散和中间相成分。为了制备具有再现性的纳米复合材料，必须认真地鉴定和控制这些要素。
可生产性指能够再现和经济地制造这种纳米复合材料，并且能够以相当大的规模把这些材料制成试样和试件，以便充分鉴定其性能。
6.4 近期有可能获得并应用于人体装甲的纳米复合材料
下列纳米复合材料被认为能够获得足够的数量，并具有充分的再现性，以便能够有效地试验它们对弹丸冲击的抗力。人们还认为，这些材料具有可用于装甲的性能。这些材料表明政府和大学的实验室，在一定的程度上还表明工业界（在这次研讨会上主要由小企业代表）目前正在跟踪的研究领域：
纳米碳管复合材料，
聚合物基复合材料，
陶瓷基复合材料；
纳米粘土复合材料，
具有蒙托土或其它高纵横比（合成的）的硅酸盐粒子；
含枝状晶的复合材料；
纳米透明复合材料；
具有纳米陶瓷粒子的聚合物基体；
高密度纳米复合材料（金属）；
采用微米和纳米层压材料的纳米复合材料（有序结构体系）；
梯度材料。
理论预测报告指出，纳米碳管基复合材料与传统的复合材料相比，能够显著提高性能。一项研究预测一种纳米碳管基复合材料系统在密度为3.0克/厘米3时的弹性模量达到1.33拉帕(TPa)。这些粒子的高纵横比以及可能产生具有高度各相异性的纳米尺寸结构，进一步鼓舞人们跟踪这个研究领域。
在聚合物/纳米粘土复合材料中，人们观察到明显提高材料机械性能现象。但是，这些材料还没有经受抗弹试验。这些粒子还可能产生高度有序的各向异性结构。
树枝状晶体可能有助于把其它物质弥散到复合材料中，或者把可控制的结构引入复合材料中。由于目前的透明装甲的性能明显低于不透明装甲系统的性能这个事实，纳米复合材料透明装甲有很大的可能性被首次应用于装甲。这种形势易于使纳米透明复合材料对透明装甲的性能明显改善产生影响作用。
因为获得纳米陶瓷粒子的可能性和可行性不断增加，所以如果这些粒子能够有效地弥散到聚合物基体中，则可能产生由这些粒子和聚合物组成的各种新复合材料。必须继续进行研究工作，以便发展低成本合成纳米粒子的方法、使粒子与各种材料相容的方法、纳米粒子结构和表面性能的表征的方法以及发展具有控制几何形状的纳米粒子。
最初为弹芯用途研究的高密度金属纳米复合材料，可用作层压或梯度装甲设计结构的硬质层。
通过层压技术把多种等级的材料或各相异性物质引进复合材料中，这被认为是建立吸能结构的一种有前途的方法。
生产具有成分梯度的材料被认为在近期可以做到（使用象离心铸造这样的技术），并在发展装甲材料中具有潜在的优势。
6.5 发展新装甲材料的障碍
这些问题不仅与纳米复合材料有关，而且与被认为用作装甲的所有材料有关。
缺少预测抗弹性能的试验方法；
无装甲性能（硬度、破坏能量和模量等）指标的一般描述；
抗弹性能对弹丸成分和设计（多－弹体问题）敏感的倾向；
新材料的成本和可获得性；
用新材料制造部件的工艺技术。
通常，根据静态或低应变速率试验结果，不可能预测材料的高应变速率（抗弹）性能。因此，非常需要准确预测抗弹性能的一种仪器试验方法。发展这种试验的一个重大障碍是装甲材料的抗弹性能对弹丸的成分和设计敏感。有可能使抗一种特殊弹丸的装甲达到最佳化，然后会发现，该装甲抗其它威胁更小的弹丸效果不好。
因为低速和超高速试验结果之间的相关性不好，所以，也没有一般描述复合装甲材料的指标。在这次研讨会上提出的一个例子是碳化硼的研究情况，它用作复合装甲系统中的一个组成部分。碳化硼的断裂韧性比其它装甲陶瓷的低，然而在进行抗弹试验时，它的性能却超过其它装甲陶瓷。可是，其它具有类似脆性的材料的抗弹试验效果不好。这种异常现象阻止人们企图以材料的物理性能为依据去发展成功的复合装甲材料结构。
6.6关键的研究领域
研讨会的研讨提出了可有效利用其它资源的研究领域。反复提出的研究领域列举如下：
模拟；
表征；
工艺技术；
新材料；
到会者常提出需要良好预测复合材料性能的模型。问题的难点是需说明对弥散和连续相相互作用的分子级影响作用。试验已表明，这种相互作用的特征在总的复合材料性能中起重大作用。因此，模型必须首先预测中间相的性能，然后使用这些结果预测较大尺寸的材料性能，从而获得预测复合材料性能的模型。
由于非常小的长度尺寸处于纳米复合材料结构中，所以，先进的表征方法必须探测复合材料结构的最小特性。象粒子的体积、表面成分和表面形态对研究工作是重要的。确定纳米粒子在各种基体中的弥散程度是一个重要的问题。按照尺寸、成分和机械性能表征粒子－基体中间相，对研究纳米复合材料具有重要作用。
必须发展合成和制造纳米复合材料的新的和改进的工艺方法。限制表征结构材料，尤其是表征抗弹试验的纳米复合材料的重要因素之一是，比较缺乏这样的纳米复合材料，或者不能制造体积大于几立方厘米的试样。许多研究者提出，工艺控制的一个关键方面是纳米粒子的弥散和相容。初级粒子没有完全弥散，就不可能完全实现任意给定的填充物/基体复合。另外一个有希望的研究领域是发展自组合机构，建立特殊的材料结构。必须继续研究纳米复合材料，以便把纳米复合材料加工成大尺寸形式，例如装甲这样的系统结构组件。需要利用纳米复合材料原材料，并把它们制成大尺寸的试样和样件。聚合物基复合材料使用传统的工艺方法，例如挤压或注射模塑，很难达到上述要求，其原因是聚合物系统中夹带纳米粒子，尤其是高纵横比的粒子，可能提高粘度。需要其它的工艺方法或者对现有的工艺方法进行改进，从而能制造大尺寸纳米复合材料制件，并且还有可能使纳米复合材料结构得到保存及达到最大程度。
6.7 NSC纳米材料计划的未来方向和重点
NSC纳米材料计划的直接焦点是研究"纳米技术在发展士兵防弹新材料中可能起什么样的作用"。虽然这个项目将不限制在用纳米复合材料使士兵防弹的用途中可完成什么样的工作，但是，它将有助于确定现在不知道的现有纳米复合材料技术的抗弹性能。这将能够使NSC和陆军把研究的人力和财力集中在纳米材料技术上，从而有极大可能性使未来新一代人体装甲系统的防护等级跃居首位。
NSC纳米材料计划将针对研讨会提出的重要问题进行研究工作，以便确定这些问题如何影响纳米材料的一般性能，尤其是纳米材料的抗弹丸冲击性能。它们是：
相弥散
相畴相互作用（中间相控制）
不对称相畴的取向
近期，Natick 士兵中心支持的纳米材料研究计划将集中力量研究下列材料课题：
可生产性（可获得足够数量的纳米材料，供包括抗弹试验在内的各种试验使用）
再现性（制造的试样能进行良好的表征，并具有一致性）
可加工性是选择近期跟踪研究的特殊纳米材料技术的另一个重要的准则
（宋继鑫 供稿）
[此贴子已经被作者于2003-2-10 19:36:06编辑过]
纳米复合材料装甲研究1999年4月12～13日，在美国陆军士兵系统中心举行了有关士兵防弹用纳米复合材料的研讨会。来自学术界、工业界和政府的研究人员和管理人员参加了这次研讨会，发表了创造性的意见，讨论了纳米技术在发展改进人体装甲用材料中的潜力。研讨人员确定了必须面临的挑战以及探索纳米复合材料应用于装甲的机遇。
1、引言
1999年4月12日，在美国陆军士兵系统中心举行了"士兵防弹用纳米复合材料"研讨会。该研讨会讨论了纳米技术和特种纳米材料在发展战斗人员用抗弹新材料中可能起的作用。50位专门从事纳米材料研究的科学家，代表工业界、学术界和政府机构参加了这次会议。本篇报告概述了代表们在这个研讨会和随后于1999年4月13日举行的政府代表会议上发表的意见以及所作的结论。
2、背景
最近，一个相畴为数十纳米尺寸的复合材料制造技术报告引起了材料科学界的极大注意。这些材料与化学成分相同、但相畴比纳米尺寸大的复合材料相比，大大地提高了性能。纳米复合材料大幅度提高性能，不会象把增强填充物添加到材料中的技术那样牺牲材料的其它性能。例如，一种普遍的现象是，当把微米尺寸的硬粒子增强物添加到聚合物中之时，在增加弹性模量的同时会损害断裂韧性。相反，纳米尺寸的增强物可在宽范围内提高复合材料的性能。纳米复合材料还具有明显不同于组成原材料的性能，例如导电率，提高耐火性能或降低透气性。
因为已经表明纳米复合材料可以应用于许多领域，所以人们进行了大量研究，以便阐明纳米复合材料性能的由来，以及发展这种类型的新材料。迄今还没有研究的一个潜在应用领域是利用纳米复合材料防弹，尤其没有研究过纳米复合材料的超高速或者抗弹应变速率性能。
目前，士兵穿着的防弹服装，即人体装甲，根据不同的防弹要求，重量可达8.165千克以上。这一重量占士兵总负荷的相当大的一个比例。由于这个原因，目前旨在减轻单个战斗人员负荷的研究和发展项目，对士兵系统的这个部分都给予了特别的关注。
鉴于人们早期观察到纳米复合材料提高了机械性能，Natick士兵中心（NSC）材料科学小组开始了研究纳米复合材料抗弹性能的一项计划。这项研究打算确定，近期在相对现有设计减轻重量的防弹系统的材料研究中，纳米复合材料起作用的可能性。陆军研究实验室在"设计装甲材料"这个陆军的战略研究目标（SRO）范围内，正在进行包括纳米材料技术在内的其它新型装甲材料方案的研究。
3、研讨会的目标
这次研讨会的目标是打算回答"纳米技术在发展士兵防弹用新材料的过程中可能起什么样的作用"这个问题。这个打算的重点集中在纳米材料大量潜在用途之外的防弹这个单独的问题上，因为这是NSC最优先的任务之一，也是陆军的SRO攻关课题之一。鉴于这种情况，进行了广泛的研讨。在研讨中，涉及了从纳米复合材料这个术语的定义，到安全使用与纳米粒子原材料加工的实际方案等大量问题。
研讨会的其它目标是交流信息和制订计划。Natick 士兵研究中心和陆军研究实验室的代表介绍了有关目前人体装甲的情况，以及有关改进装甲材料的方案与目前研究工作。在NSC的主持和国防先进研究项目局（DARPA）的支持下，以及通过ARA/ARO执行的多学科大学研究首创（MURI）计划，正在进行上述的一些工作。在研讨会期间，学术界和工业界的代表报道了纳米材料领域内的一些最新发展。研讨会的第二天，政府的代表参加了一个保密会议，讨论了目前和未来的研究计划。
4、陆军代表的意见综述
陆军研究实验室的高级科学家Gary Hagnauer概述了陆军装甲材料的研究计划。该计划包括在题目为"设计的装甲材料"的一项战略研究目标之中。该战略研究目标的长期技术目标如下：
先进的装甲设计，这些装甲设计把防弹、防核生化（NBC）、防电磁和防火与隐身、动力、探测、计算、通讯以及未来陆军系统的结构要求集成为一体；
新颖、轻型、集成和多功能材料/结构，它们能够大大提高生存能力，具有极大的通用性，满足多方面的系统要求；
超轻型人体装甲，具有宽范围的防护能力，可防破片弹、箭形弹、枪弹和冲击波；
控制和管理所有军事信号的先进方法，这些被控制的军事信号包括光学信号、电磁信号和声源信号；
Natick士兵中心防弹小组的领导Janet Ward介绍了NSC人体装甲计划。在研讨会上，向到会者展示了现用人体装甲的一些例子。NSC研究和发展项目对人体装甲提出的的重要要求是：
提高侵彻抗力，抗多发弹打击，重量轻，体积小；
防冲击波和冲击波产生的超高压；
降低成本；
可生产；
舒适；
耐久性。
在研讨中确定的技术难题和挑战是：
了解材料组成部分在经受宽范围弹丸打击时于抗弹时间范围内的复杂相互作用；
用于防弹系统的高性能材料的研究和集成；
在提高防护等级的条件下，降低重量，减少体积；
在抗弹的高应变速率下了解人体与装甲系统耦合的特性；
确定最小数量的材料系统独立试验议定书，以便模拟在可能降低抗弹性能的使用条件下的极端值。
（宋继鑫 供稿）纳米复合材料装甲研究（中）
5.研讨会讨论意见概述
纳米复合材料应用于先进的人体装甲具有很大的潜力。援引的资料是迄今发表的技术报告，它们表明，某些基体－纳米填充物复合材料与原基体材料相比，大大提高了性能。其它的资料指出，纳米复合材料具有无"混合物性能规律"，即复合材料的性能可能超过任意单一组分的性能。至今，似乎无人鉴定具有不同成分相的纳米复合材料的抗弹性能。由这次研讨会苦心收集到的重要论据之一，是纳米材料，尤其是纳米复合材料领域的研究还处于萌芽状态。极少数的纳米复合材料进行了大量生产。通常，已制备材料的表征没有完成。通过研讨可知，人们对迄今观察到的各种"纳米－效应"的起源了解很差。必须对基础研究继续进行投资，以便使人们了解所谓的"纳米－效应"的起源以及如何设计纳米复合材料，从而控制这些效应，并使其达到最佳化。必须进行更多的应用研究，以便扩大合成物以及纳米复合材料的工艺方法，为结构－性能鉴定制造试验试样。
这次研讨会还提出，材料模拟的现状是，不能在生产前充分预测纳米复合材料的性能。在研讨中反复阐明，必须进行许多其它的项目，以便发展充分阐述纳米尺寸结构对组件材料性能影响的模型。大量纳米复合材料成分存在于不同材料（例如聚合物基体和纳米粒子弥散相）之间的所谓中间相区中，准确阐述这种复杂的相互作用，对成功完成预测这类材料的模型是必不可少的。
6、意见和建议
6.1 "纳米"复合材料的定义
参加会议的人员普遍认为，纳米复合材料这个术语适用于至少一个相的一维尺寸小于100纳米的多相（或非均质）材料。100纳米阈值的根据是发表的资料记载数据，即当弥散相的尺寸达到100纳米数量等级时，人们最常观察到材料性能发生非线性变化。资料中还提出，当弥散相的尺寸（在高纵横比弥散相中的纳米尺寸）与分离长度之比为1:1时，可以最清楚地观察到"纳米效应"，这表明，"纳米效应"对弥散相的浓度有制约的依赖关系。
6.2 探索特殊用途的纳米复合材料的关键作用
下列性能突出了纳米复合材料结构的特性，纳米复合材料结构可能有利于设计上具有特殊功能（包括耐冲击性）的材料。
每单位体积具有高界面面积；
具有潜在的独特和可控制性能的中间相材料的体积大；
控制程度高的结构；
非平衡相稳定（观察到的情况）；
非均匀物质之间的间隔小（扩散路径短）；
连续相中有趣的限制效应；
无"混合物性能规律"。
6.3 研究设计和制造纳米复合材料过程中提出的重大问题
包括几何性能在内的粒子性能；
中间相性能；
相浓度（影响限制体积）；
弥散；
二次（中间）结构；
表征；
可生产性 。
尤其是弥散问题，是到会者当作成功制备具有最佳性能纳米复合材料的重要问题而反复提出的。改变粒子表面的化学组成和化学性质获得了完全（即纳米尺寸）的弥散程度，改变粒子表面的化学组成和化学性质也影响中间相区。同控制中间相象弥散问题一样，是到会者当作控制纳米复合材料性能的重要问题而经常提出的，显然，弥散和中间相成分问题不可避免地联系到一起。
还没有确定，什么样的粒子或中间相性能将提供最佳的抗弹材料性能。有可能，硬质粒子特别有利于复合材料使弹丸破碎，而通过其它增强相畴成分可能较有效地消耗弹丸的能量。可能非常不同的中间相特性能够最好地应用于不同的弹丸摧毁机制。
表征应用于描述复合材料结构的许多特征，也许最重要的特征是弥散和中间相成分。为了制备具有再现性的纳米复合材料，必须认真地鉴定和控制这些要素。
可生产性指能够再现和经济地制造这种纳米复合材料，并且能够以相当大的规模把这些材料制成试样和试件，以便充分鉴定其性能。
6.4 近期有可能获得并应用于人体装甲的纳米复合材料
下列纳米复合材料被认为能够获得足够的数量，并具有充分的再现性，以便能够有效地试验它们对弹丸冲击的抗力。人们还认为，这些材料具有可用于装甲的性能。这些材料表明政府和大学的实验室，在一定的程度上还表明工业界（在这次研讨会上主要由小企业代表）目前正在跟踪的研究领域：
纳米碳管复合材料，
聚合物基复合材料，
陶瓷基复合材料；
纳米粘土复合材料，
具有蒙托土或其它高纵横比（合成的）的硅酸盐粒子；
含枝状晶的复合材料；
纳米透明复合材料；
具有纳米陶瓷粒子的聚合物基体；
高密度纳米复合材料（金属）；
采用微米和纳米层压材料的纳米复合材料（有序结构体系）；
梯度材料。
理论预测报告指出，纳米碳管基复合材料与传统的复合材料相比，能够显著提高性能。一项研究预测一种纳米碳管基复合材料系统在密度为3.0克/厘米3时的弹性模量达到1.33拉帕(TPa)。这些粒子的高纵横比以及可能产生具有高度各相异性的纳米尺寸结构，进一步鼓舞人们跟踪这个研究领域。
在聚合物/纳米粘土复合材料中，人们观察到明显提高材料机械性能现象。但是，这些材料还没有经受抗弹试验。这些粒子还可能产生高度有序的各向异性结构。
树枝状晶体可能有助于把其它物质弥散到复合材料中，或者把可控制的结构引入复合材料中。由于目前的透明装甲的性能明显低于不透明装甲系统的性能这个事实，纳米复合材料透明装甲有很大的可能性被首次应用于装甲。这种形势易于使纳米透明复合材料对透明装甲的性能明显改善产生影响作用。
因为获得纳米陶瓷粒子的可能性和可行性不断增加，所以如果这些粒子能够有效地弥散到聚合物基体中，则可能产生由这些粒子和聚合物组成的各种新复合材料。必须继续进行研究工作，以便发展低成本合成纳米粒子的方法、使粒子与各种材料相容的方法、纳米粒子结构和表面性能的表征的方法以及发展具有控制几何形状的纳米粒子。
最初为弹芯用途研究的高密度金属纳米复合材料，可用作层压或梯度装甲设计结构的硬质层。
通过层压技术把多种等级的材料或各相异性物质引进复合材料中，这被认为是建立吸能结构的一种有前途的方法。
生产具有成分梯度的材料被认为在近期可以做到（使用象离心铸造这样的技术），并在发展装甲材料中具有潜在的优势。
6.5 发展新装甲材料的障碍
这些问题不仅与纳米复合材料有关，而且与被认为用作装甲的所有材料有关。
缺少预测抗弹性能的试验方法；
无装甲性能（硬度、破坏能量和模量等）指标的一般描述；
抗弹性能对弹丸成分和设计（多－弹体问题）敏感的倾向；
新材料的成本和可获得性；
用新材料制造部件的工艺技术。
通常，根据静态或低应变速率试验结果，不可能预测材料的高应变速率（抗弹）性能。因此，非常需要准确预测抗弹性能的一种仪器试验方法。发展这种试验的一个重大障碍是装甲材料的抗弹性能对弹丸的成分和设计敏感。有可能使抗一种特殊弹丸的装甲达到最佳化，然后会发现，该装甲抗其它威胁更小的弹丸效果不好。
因为低速和超高速试验结果之间的相关性不好，所以，也没有一般描述复合装甲材料的指标。在这次研讨会上提出的一个例子是碳化硼的研究情况，它用作复合装甲系统中的一个组成部分。碳化硼的断裂韧性比其它装甲陶瓷的低，然而在进行抗弹试验时，它的性能却超过其它装甲陶瓷。可是，其它具有类似脆性的材料的抗弹试验效果不好。这种异常现象阻止人们企图以材料的物理性能为依据去发展成功的复合装甲材料结构。
6.6关键的研究领域
研讨会的研讨提出了可有效利用其它资源的研究领域。反复提出的研究领域列举如下：
模拟；
表征；
工艺技术；
新材料；
到会者常提出需要良好预测复合材料性能的模型。问题的难点是需说明对弥散和连续相相互作用的分子级影响作用。试验已表明，这种相互作用的特征在总的复合材料性能中起重大作用。因此，模型必须首先预测中间相的性能，然后使用这些结果预测较大尺寸的材料性能，从而获得预测复合材料性能的模型。
由于非常小的长度尺寸处于纳米复合材料结构中，所以，先进的表征方法必须探测复合材料结构的最小特性。象粒子的体积、表面成分和表面形态对研究工作是重要的。确定纳米粒子在各种基体中的弥散程度是一个重要的问题。按照尺寸、成分和机械性能表征粒子－基体中间相，对研究纳米复合材料具有重要作用。
必须发展合成和制造纳米复合材料的新的和改进的工艺方法。限制表征结构材料，尤其是表征抗弹试验的纳米复合材料的重要因素之一是，比较缺乏这样的纳米复合材料，或者不能制造体积大于几立方厘米的试样。许多研究者提出，工艺控制的一个关键方面是纳米粒子的弥散和相容。初级粒子没有完全弥散，就不可能完全实现任意给定的填充物/基体复合。另外一个有希望的研究领域是发展自组合机构，建立特殊的材料结构。必须继续研究纳米复合材料，以便把纳米复合材料加工成大尺寸形式，例如装甲这样的系统结构组件。需要利用纳米复合材料原材料，并把它们制成大尺寸的试样和样件。聚合物基复合材料使用传统的工艺方法，例如挤压或注射模塑，很难达到上述要求，其原因是聚合物系统中夹带纳米粒子，尤其是高纵横比的粒子，可能提高粘度。需要其它的工艺方法或者对现有的工艺方法进行改进，从而能制造大尺寸纳米复合材料制件，并且还有可能使纳米复合材料结构得到保存及达到最大程度。
6.7 NSC纳米材料计划的未来方向和重点
NSC纳米材料计划的直接焦点是研究"纳米技术在发展士兵防弹新材料中可能起什么样的作用"。虽然这个项目将不限制在用纳米复合材料使士兵防弹的用途中可完成什么样的工作，但是，它将有助于确定现在不知道的现有纳米复合材料技术的抗弹性能。这将能够使NSC和陆军把研究的人力和财力集中在纳米材料技术上，从而有极大可能性使未来新一代人体装甲系统的防护等级跃居首位。
NSC纳米材料计划将针对研讨会提出的重要问题进行研究工作，以便确定这些问题如何影响纳米材料的一般性能，尤其是纳米材料的抗弹丸冲击性能。它们是：
相弥散
相畴相互作用（中间相控制）
不对称相畴的取向
近期，Natick 士兵中心支持的纳米材料研究计划将集中力量研究下列材料课题：
可生产性（可获得足够数量的纳米材料，供包括抗弹试验在内的各种试验使用）
再现性（制造的试样能进行良好的表征，并具有一致性）
可加工性是选择近期跟踪研究的特殊纳米材料技术的另一个重要的准则
（宋继鑫 供稿）
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