超轻材料可以承受超音速微粒的冲击

2021年6月30日

麻省理工学院、加州理工学院和ETH Zürich的工程师进行的一项新研究表明,“纳米结构”材料——由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、防爆盾和其他抗冲击材料的一条有前途的道路。研究人员已经制作了一种由纳米级碳支柱制成的超轻材料,这种材料具有韧性和机械强度。如果大规模生产,这种和其他纳米结构材料可能会被设计成更轻、更坚固的凯夫拉尔纤维和钢铁的替代品。该团队开始研究快速变形条件下的纳米结构材料,例如高速碰撞。波特拉说:“纳米结构材料作为减轻影响的材料确实很有前途。”

麻省理工学院、加州理工学院和ETH Zürich的工程师进行的一项新研究表明,“纳米结构”材料——由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、防爆盾和其他抗冲击材料的一条有前途的道路。

研究人员已经制作了一种由纳米级碳支柱制成的超轻材料,这种材料具有韧性和机械强度。该团队通过用超声波速度用微粒射击来测试材料的弹性,并发现该材料比人发的宽度薄,防止了微型射精通过它撕裂。

研究人员计算出,与钢、凯夫拉尔纤维、铝和其他类似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(MIT)机械工程助理教授卡洛斯·波特拉(Carlos Portela)说:“与凯夫拉尔纤维(Kevlar)相同质量的材料相比,我们使用同样质量的材料阻挡炮弹的效率要高得多。”

如果大规模生产,这种和其他纳米结构材料可能会被设计成更轻、更坚固的凯夫拉尔纤维和钢铁的替代品。

“从这项工作中获得的知识……可以提供超轻抗冲击材料的设计原则,用于高效装甲材料、防护涂层和国防和太空应用所需的防爆盾牌,”材料科学、力学教授朱莉娅·r·格里尔(Julia R. Greer)说。以及加州理工学院的医学工程学院,他们的实验室领导了这种材料的制造。

该研究小组今天在《自然材料》杂志上发表了他们的研究成果,成员包括麻省理工学院士兵纳米技术研究所和化学系的David Veysset、Yuchen Sun和Keith A. Nelson,以及ETH Zürich的Dennis M. Kochmann。

从脆性到弯曲

纳米结构材料由有图案的纳米尺度结构组成,根据它们的排列方式,可以赋予材料独特的特性,如异常的轻度和弹性。因此,纳米结构材料被视为潜在的更轻、更坚韧的抗冲击材料。但这种潜力在很大程度上尚未得到检验。

Portela说:“我们只知道它们在缓慢变形状态下的反应,而它们的很多实际应用都是假设在真实世界中,没有什么东西会缓慢变形。”

该团队开始研究快速变形条件下的纳米结构材料,例如高速碰撞。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。研究人员构建了一种被称为四十面体的重复模式——一种由微观支柱组成的晶格结构。

Portela说:“从历史上看,这种几何形状出现在节能泡沫中。”他选择在纳米级的碳材料中复制这种泡沫状的建筑,赋予通常坚硬的材料柔韧、吸收冲击的特性。“虽然碳通常是脆弱的,但纳米结构材料中支柱的排列和小尺寸导致了一种橡胶的、弯曲为主的结构。”

在绘制出晶格结构后,研究人员将剩余的树脂清洗掉,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。

比声速更快

为了测试这种材料对极端变形的弹性,该团队在麻省理工学院使用激光诱导粒子冲击测试进行了微粒子冲击实验。这项技术的目标是用超快激光穿透涂有一层金薄膜的玻片,而金薄膜本身则涂有一层微颗粒——在这种情况下,是14微米宽的氧化硅颗粒。当激光穿过载玻片时,会产生等离子体,也就是黄金中气体的快速膨胀,将氧化硅颗粒推向激光的方向。这使得微粒快速地向目标方向加速。

研究人员可以调整激光的功率来控制微粒弹的速度。在他们的实验中,他们探索了微粒速度的范围,从每秒40米到每秒1100米,完全在超音速范围内。

“超音速是任何超过每秒340米的东西,这是海平面空气中的声速,”波特拉说。“所以,有些实验很容易就达到了声速的两倍。”

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——密度较小的材料的支柱比另一种材料的略薄。当他们比较了这两种材料的冲击反应时,他们发现密度越大的材料弹性越大,而且微粒倾向于嵌入材料而不是直接穿透。

为了更仔细地观察,研究人员仔细地切开嵌入的微粒和材料,发现在嵌入微粒的下方区域,微观支柱和梁因受到冲击而弯曲和压实,但周围的建筑完好无损。

使用高速摄像头,研究人员捕获了与纳米竞射材料产生冲击的微粒的视频。

波特拉说:“我们展示了这种材料可以吸收大量的能量,因为它的支柱在纳米尺度上的冲击压实机制,而不是完全致密和整体的材料,而不是纳米架构的材料。”

有趣的是,该团队发现,他们可以通过使用一个维度分析框架来描述行星撞击,来预测这种材料将会遭受的破坏。利用白金汉-Π定理的原理,该分析解释了各种物理量,如流星的速度和行星表面物质的强度,以计算“陨石坑效率”,或流星挖掘物质的可能性和程度。

当研究小组根据纳米结构薄膜的物理性质和微粒的大小和速度调整这个方程时,他们发现这个框架可以预测他们的实验数据显示的影响类型。

Portela说,展望未来,这个框架可以用来预测其他纳米结构材料的冲击弹性。他计划探索各种不同的纳米结构,以及碳以外的其他材料,以及扩大生产的方法——所有这些目标都是设计更坚固、更轻的防护材料。

波特拉说:“纳米结构材料作为减轻影响的材料确实很有前途。”“我们对它们还有很多不了解的地方,我们正在着手解决这些问题,并为它们的广泛应用打开大门。”

这项研究得到了美国海军研究办公室、Vannevar Bush学院奖学金和美国陆军研究办公室通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所的部分支持。

这条消息的来源是麻省理工学院

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