比头发丝还细!MIT科学家研发超强纳米材料,可抵抗超音速微粒撞击

前瞻网

发布时间: 06-2909:12深圳前瞻资讯股份有限公司

麻省理工学院、加州理工学院和ETH Zürich的工程师们的一项新研究表明,“纳米建筑”材料——根据精确的纳米尺度结构设计的材料——可能是制造轻型装甲、防护涂层、防爆罩和其他抗冲击材料的一条很有前途的途径。

研究人员用纳米尺度的碳支柱制造了一种超轻材料,使材料具有韧性和机械鲁棒性。研究小组通过用微粒以超音速发射来测试这种材料的弹性,发现这种比人类头发丝宽度还细的材料,竟然可以防止微型炮弹撕裂它!

研究人员计算出,与钢、凯夫拉尔(Kevlar)纤维、铝和其他同等重量的抗冲击材料相比,这种新材料在吸收冲击方面更有效。

该研究的主要作者,麻省理工学院机械工程助理教授卡洛斯·波特拉(Carlos Portela)说:“相同质量的材料比相同质量的凯夫拉纤维更能有效地阻止炮弹。”

如果大规模生产,这种和其他纳米结构材料可能被设计成更轻、更坚硬的凯夫拉尔(Kevlar)纤维和钢的替代品。

在加州理工学院,他们首先使用双光子光刻技术制造了一种纳米结构材料,这种技术使用快速、高功率的激光在光敏树脂中固化微观结构。研究人员构建了一个被称为“tetrakaidecahedron”面体的重复图案——一种由微观支柱组成的晶格结构。

Portela选择在纳米尺度的碳材料中复制这种类似泡沫的结构,使通常坚硬的材料具有柔韧、吸收冲击的特性。

在形成晶格结构后,研究人员将剩余的树脂洗掉,并将其放在高温真空炉中,将聚合物转化为碳,留下一种超轻的纳米结构碳材料。

为了测试材料对极端变形的弹性,该团队在麻省理工学院(MIT)使用激光诱导粒子冲击测试进行了微粒冲击实验。研究人员可以调整激光的功率,来控制微粒抛射物的速度。在他们的实验中,他们探索了微粒子速度的范围,从40米每秒到1100米每秒,完全在超音速范围内。

利用高速摄像机,他们捕捉到了微粒子与纳米材料碰撞的视频。他们制作了两种不同密度的材料——密度较低的材料的支柱,比另一种稍微薄一些。当他们比较两种材料的撞击反应时,他们发现密度更大的那一种弹性更强,微粒倾向于嵌入到材料中,而不是直接穿透。

该团队日前在《自然·材料》(Nature Materials)杂志上报告了他们的研究结果,题为 “Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon”。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:https://news.mit.edu/2021/carbon-nanomaterial-light-strong-0624

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01033-z

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