ProAcoustics | 可承受超音速微粒子撞击的新型超轻装甲材料

外形的轻量与纤薄，是下一代装甲材料的两大理想特性。在借鉴了海螺、动物鳞片、以及微调泡沫的灵感之后，材料科学家们又展示了他们使用先进纳米工程制造的一种新型装甲材料，这种新的碳基材料可以成为凯夫拉纤维和钢的更轻、更坚韧的替代品的基础。

这项新材料技术有望运用到国防与航天等领域的超轻质抗冲击装甲或防护涂层上，以及推动新型防爆盾的设计研发。

《自然材料》期刊上已报告了此项结果，研究团队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，以及苏黎世联邦理工学院的Dennis M. Kochmann。

基于纳米碳柱结构的新型装甲材料（来自：MIT）麻省理工学院、加州理工学院和苏黎世联邦理工学院的工程师进行的一项新研究表明，“纳米结构”材料 — — 由精确图案化的纳米级结构设计的材料 — — 可能是制造轻质装甲、防护涂层、防爆盾和其他抗冲击材料的非常有前景的途径。 研究人员制造了一种由纳米级碳柱结构制成的超轻材料，使材料具有韧性和机械强度。该团队通过以超音速发射微粒来测试材料的弹性，发现这种比头发丝还细的材料，可以防止微型射弹穿透它。 研究人员计算出，与钢、芳纶纤维、铝和其他重量相当的抗冲击材料相比，这种新材料在吸收冲击方面更有效。

新材料可吸收粒子“炮弹”冲击，而不是让它们在冲击过程中碎裂（来自：MIT）

该研究的主要作者、麻省理工学院机械工程助理教授Carlos Portela说：“与相同质量的凯夫拉纤维相比，相同质量的材料在阻止射弹方面的效率要高得多。” 如果大规模生产，这种材料和其他纳米结构材料可能会被设计为更轻、更坚固的凯夫拉纤维和钢的替代品。 “这项工作的知识......可以为国防和太空应用所需的高效装甲材料、保护涂层和防爆盾牌等超轻质抗冲击材料提供设计原则”合著者R. Greer是加州理工学院材料科学、力学和医学工程教授，他的实验室负责该材料的制造。

从脆弱到柔韧

纳米结构材料由图案化的纳米级结构组成，根据它们的排列方式，这些结构可以赋予材料独特的特性，例如异常轻盈和弹性。因此，纳米结构材料被视为可能更轻、更坚固的抗冲击材料。但这种潜力在很大程度上未经测试。

“我们只知道它们在缓慢形变状态下的反应，但诸多实际用途都被假定几乎没有给你缓冲以应对的时间”Portela 说。

该团队着手研究快速变形条件下的纳米结构材料，例如在高速撞击的情况下。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、高功率的激光来固化光敏树脂中的微观结构。研究人员构建了一种称为四面体的重复图案 — — 一种由微观支柱组成的晶格结构。

 “从历史上看，这种几何形状曾出现在能量缓解泡沫中，”Portela说，他选择在纳米级的碳材料中复制这种类似泡沫的结构，以赋予通常坚硬的材料一种灵活、吸收冲击的特性。“尽管常见的碳材料很脆，但纳米结构中的小尺寸支柱排列，又让它形成了类似橡胶的弯曲主导结构。” 通过激光处理以形成由重复的微观支柱组成的晶格结构，然后将这种材料置于高温真空室，以将聚合物转化为超轻碳。
超音速

为了测试材料对极端变形的弹性性能，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冲击实验。该技术旨在让超快激光穿过涂有金薄膜的载玻片，该载玻片本身涂有一层微粒 — — 在这个研究中，是14微米宽的氧化硅颗粒。将超快激光照射到载玻片上，等待等离子体或快速膨胀气体的产生，从而将粒子从表面推向目标。

研究人员可以调整激光的功率来控制微粒弹丸的速度。在他们的实验中，他们探索了一系列微粒速度，从每秒40到1,100米，完全在超音速范围内。

 “超音速是指大约每秒340米以上的速度，这是海平面空气中的声速，”Portela说。“所以,有些实验很容易达到两倍音速。” 他们使用高速相机拍摄了微粒对纳米结构材料产生影响的视频。他们制造了两种不同密度的材料— —密度较低的材料的支柱比另一种略薄。当他们比较两种材料的冲击响应时，他们发现密度较大的一种更具弹性，微粒倾向于嵌入材料中而不是直接穿透。

高速摄像机拍摄下的微粒对纳米结构材料的冲击影响（来自：MIT）

 
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，发现在嵌入微粒正下方的区域，微观支柱和梁在撞击时已经皱缩并压缩，但周围的结构仍然完好无损。 “我们证明了这种材料可吸收大量能量，因其在纳米尺度上的冲击压实机制，与完全致密且整体的非纳米结构材料相比有更显著的优势”Portela说。 有趣的是，研究小组发现，他们可以通过使用一个维度分析框架来描述行星撞击的特征，来预测这种材料所能承受的损害。使用一个叫做Buckingham-Π定理的原理，这个分析解释了各种物理量，比如流星的速度和行星表面物质的强度，来计算“陨石坑效率”或者说是流星挖掘物质的可能性和程度。

通过测试得出了一种可吸收粒子抛射物的先进材料（来自：MIT）

当该团队根据他们的纳米结构薄膜的物理特性以及微粒的大小和速度调整方程时，他们发现该框架可以预测他们的实验数据显示的影响类型。 展望未来，Portela表示，该框架可用于预测其他纳米结构材料的冲击弹性。他计划探索各种纳米结构配置，以及碳以外的其他材料和扩大生产规模的方法— —所有这些都旨在设计更坚固、更轻的保护材料。 “纳米结构材料确实很有希望作为减轻冲击的材料”Portela 说。“我们对它们还有很多不了解，我们正在这条道路上不断探索并为它们的广泛应用打开大门。” 

这项研究通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所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的支持。

点击阅读原文至《自然材料》期刊查看本项研究成果的全文。


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