超轻纳米结构材料有望成为重要的装备防护结构材料

纳米碳支撑结构赋予材料优异的韧性和机械强度

受本实验启发,研究小组认为,通过建立量纲分析,可以预测天体撞击和其他现象造成的实际损伤类型。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联合研究发现,“纳米结构”材料(如图所示)精确的图案设计将是制造轻型装甲、防护涂层、防爆罩和其他抗冲击材料的理想材料

新型纳米材料结构是一种由嵌入粒子正下方区域的微柱构成的晶格结构

,内部柱栅结构在撞击后已折叠并完全压缩,但一些未注入颗粒的结构在6月24日仍然完好无损,麻省理工学院的官方网站报道说,麻省理工学院、加利福尼亚理工学院和苏黎世联邦理工学院的工程师联合进行的一项新研究表明,一种“纳米结构”材料,一种设计有精确图案的纳米级结构的材料。这种材料有望成为制造轻型装甲、防护涂层、,防爆罩和其他抗冲击结构

新型纳米材料具有优异的抗冲击性

研究人员发明了一种由纳米碳支撑结构制成的超轻材料,该材料具有优异的韧性和机械强度。研究小组使用发射的超音速粒子撞击材料表面,以测试其弹性。研究发现,该材料内部支撑结构中每个碳柱的直径都比人发的宽度要细,并且碳柱的密度是前所未有的。这种致密的超细支撑结构可以防止微型高速弹丸的穿透

据研究人员计算,与同等重量的钢、芳纶、铝等抗冲击材料相比,这种新型材料吸收冲击能量的效果更为明显。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)表示,与同等质量的凯夫拉纤维相比,同等质量的新材料在防弹能力方面要有效得多。如果能实现量产,,这种新材料和使用相关概念设计的其他纳米结构材料可以设计为更轻、更强的产品或结构,以取代现有的Kevlar纤维和钢

本研究工作中获得的技术原理和相关知识可以建立超轻量冲击的设计原则材料。使用这种材料,有望为航空航天和国防军事应用制造高效装甲材料、防护涂层和防爆护罩。研究结果已发表在《自然材料》杂志上。团队成员包括David veysset、Yuchen sun和Keith A.Nelson,他们是麻省理工学院士兵纳米技术研究所和化学系的研究人员,苏黎世联邦理工学院的Dennis M.Kochman

新材料的制备过程

这种纳米结构材料由图案化的纳米级内部结构组成。纳米尺度的内部结构安排可以赋予材料独特的特性,如非凡的重量和弹性。因此,纳米结构材料被认为是一种更轻、更强的抗冲击材料。然而,这一理论潜力尚未在很大程度上得到验证

目前,人们可以理解纳米结构材料如何响应慢变形,但在许多实际应用中不会出现慢变形。因此,研究小组着手研究纳米结构材料,这些材料能够在快速变形条件下做出反应,例如在高速撞击或撞击过程中。在加州理工学院,研究人员首先利用双光子光刻技术制造了一种纳米结构材料,该材料使用快速高功率激光在光敏树脂中固化微观结构。研究人员构建了一种称为四面体的重复模式——一种由微观柱体组成的晶格结构。在材料发展史上,这种内部几何结构经常出现在能够吸收能量的泡沫材料中。受此启发,研究人员选择在纳米级碳材料中重新构造泡沫状结构,以提供一种通常难以观察的柔性、吸收性和抗冲击性材料。尽管碳结构通常是脆性的,但新的纳米结构材料使用了无数内部纳米柱结构,这最终赋予了材料类似橡胶和可弯曲的结构特征,在对晶格结构进行图案化后,研究人员洗掉剩余的树脂,将其放入高温真空炉中,将聚合物转化为碳,最终获得超轻纳米结构碳材料,这种材料可以阻挡超音速“子弹”

为了测试材料在极端变形情况下的弹性特性,研究团队在麻省理工学院使用激光诱导粒子冲击测试技术进行了粒子冲击实验。这项技术的目的是让超快激光通过涂有金膜的载玻片,而金膜本身也涂有颗粒——本试验中使用了直径为14微米的氧化硅颗粒。当激光通过过载玻璃时,氧化硅颗粒将产生等离子体,金膜中的气体将迅速膨胀,将氧化硅颗粒推向激光方向。这使得粒子迅速加速向目标移动

研究人员可以通过调节激光功率来控制粒子弹丸的速度。在实验中,研究人员探索了一系列粒子速度,范围从40米/秒到1100米/秒,可以达到超音速的效果。超音速是指每秒超过340米的速度,而每秒340米的速度是海平面上空气中的声速。因此,利用实验室技术可以很容易地获得两倍以上的声速

研究人员使用高速摄像机拍摄颗粒对纳米结构材料的影响图像。研究人员制造了两种密度不同的材料——一种密度较低,内部纳米柱比另一种稍薄。当比较两种材料的冲击响应时,研究人员发现密度越高的材料弹性越大。当颗粒撞击材料时,它们可以嵌入其中而不直接穿透或撕裂材料

为了更仔细地观察,研究人员切割了嵌入的颗粒和材料,发现在嵌入颗粒正下方的区域,内部柱栅结构在撞击后已折叠并完全压缩,但一些未注入粒子的结构仍然完好无损

研究表明,这种材料可以吸收大量能量。即使与结构完全致密的非纳米材料相比,这种材料在纳米尺度上吸收冲击能量的机制上具有明显的优势

更有趣的是,研究团队发现,他们可以利用本实验的结果建立一个量纲分析框架,来描述不同物体在冲击或碰撞过程中的特征撞击,从而预测材料将承受的损伤类型,可应用于天体行星撞击过程的研究。利用量纲分析(白金汉城)∏的基本原理,研究人员分析并考虑了各种物理量,如流星的速度和行星表面材料的强度,并基于此或流星撞击的可能性计算了“陨石坑效率”,流星的深度范围可能深入到行星表面的物质中。当研究团队根据纳米结构薄膜的物理性质以及粒子的大小和速度调整方程式时,他们发现该研究框架可以预测实验数据中反映的撞击类型。

展望未来,研究人员表示,该框架可用于预测其他纳米结构材料的冲击弹性。研究人员计划探索各种纳米结构材料的结构,考虑使用除碳以外的材料,甚至在未来扩大这种新材料的生产规模的方法-所有这些研究的目的是设计更强健和更轻的保护材料,以满足未来的需要。纳米结构材料确实很有希望成为抗冲击材料。在这个阶段,人们仍然不太了解他们。研究人员正在努力开展相关研究,回答无法解释的科学问题,并打开纳米结构材料未来广阔应用前景的大门。

这项研究工作获得了美国海军研究办公室、Vannevar Bush学院以及美国陆军研究办公室和麻省理工学院士兵纳米技术研究所的奖学金

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