时代科技网 紧跟科技时代的步伐

新纳米材料比 Kevlar 更好地抵抗弹丸撞击

加州理工学院、麻省理工学院和苏黎世联邦理工学院的工程师开发了一种由微小的碳支柱制成的纳米结构材料,与通常用于个人防护装备的材料 Kevlar 相比,它在阻止射弹方面更有效。

由加州理工学院材料科学家 Julia R. Greer 首创的纳米结构材料具有在纳米尺度上设计的结构,并表现出不寻常的、通常令人惊讶的特性——例如,异常轻的陶瓷可以像海绵一样弹回其原始形状,被压缩后。

“从这项工作中获得的知识可以为超轻质抗冲击材料提供设计原则,用于国防和太空应用所需的高效装甲材料、保护涂层和防爆盾,”Greer、Ruben F. 和 Donna Mettler 说材料科学、力学和医学工程教授,他的实验室领导了材料的制造。Greer 是发表在Nature Materials上的关于新材料的论文的共同通讯作者。

这种材料比人的头发还细,由相互连接的十四面体组成,这些四面体由在极热条件下形成的碳支柱(称为热解碳)制成。四面体是具有 14 个面的结构:六个有四个边,八个有八个边。它们也被称为“开尔文电池”,因为在 1887 年,开尔文勋爵(物理学家威廉汤姆森,第一代开尔文男爵,为了纪念他,我们以“开尔文”为单位声明了绝对温度)建议它们是填充空洞的最佳形状具有相同大小物体的三维空间,使用最小的表面积。

麻省理工学院机械工程助理教授、《自然材料》论文的主要/共同通讯作者 Carlos Portela (MS '16, PhD '19) 说:“从历史上看,这种几何形状出现在节能泡沫中。Portela 和他的实验室研究了使用泡沫状结构为硬碳提供灵活性。“虽然碳通常很脆,但纳米结构材料中支柱的排列和小尺寸产生了橡胶状、弯曲主导的结构,”他说。

虽然已经使用缓慢变形(例如压缩和拉伸)研究了纳米结构材料的强度,但 Portela 想知道这种材料如何在高速撞击中幸存下来。

在加州理工学院的 Greer 实验室担任博士后期间,Portela 首先使用双光子光刻技术用光敏聚合物制造了这种材料,该技术使用快速高功率激光来固化和雕刻微观结构。然后他的团队热解这些结构;也就是说,他们在非常高的温度下在熔炉中燃烧它们,将聚合物转化为热解碳。科学家们创造了两种版本的材料:一种更致密的和一种更松散的。Portela 的实验室随后用 14 微米直径的球形氧化硅颗粒对这两个版本进行了喷砂处理,一次一个。粒子以每秒 40 到 1,100 米的速度行进;作为参考,声速为每秒 340 米。

研究人员发现,密度更高的材料更具弹性,微粒倾向于嵌入材料中,而不是直接撕裂,就像完全致密的聚合物或相同厚度的碳片一样。经过仔细检查,他们发现直接围绕粒子的单个支柱会崩溃,但整体结构保持完整,直到弹丸停止。一磅一磅,新材料的性能比钢高 100% 以上,凯夫拉复合材料高 70% 以上。

“我们展示了这种材料可以吸收大量能量,因为这种纳米级支柱的冲击压实机制与完全致密和整体而非纳米结构的材料相比,”Portela 说。

对于用于实际应用的材料,研究人员接下来需要找到扩大其生产规模的方法,并探索其他纳米结构材料(包括由碳以外的材料制成的材料)如何在高速下保持稳定影响。同时,该研究证明了纳米结构材料在抗冲击方面的可行性,开辟了一条新的研究途径。

版权说明:文章均为账号作者发布,不代表本网站观点与立场,如有侵权请联系我们删除