比Kevlar和钢更强硬:超级材料承受超声波微粒的影响

纳米结构的抗冲击材料

麻省理工学院、加州理工学院和ETH Zürich的工程师们发现,由精确的纳米尺度结构设计的“纳米架构”材料(如图)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很有前途的途径。资料来源:研究人员提供

这种新型碳基材料可能成为凯夫拉尔纤维和钢的替代品,既轻又硬。

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。

研究人员制造了一种由纳米级碳支柱制成的超级材料,其具有材料韧性和机械稳健性。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。”

纳米材料的复苏超声波微粒

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。资料来源:研究人员提供

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、更坚硬的凯夫拉尔纤维和钢的替代品。

“从这项工作中获得的知识……可以提供设计原则,用于高效装甲材料、防护涂层和防御和空间应用所需的抗冲击材料,”合著者Julia R. Greer说,她是材料科学、力学教授,以及加州理工学院的医学工程,他们的实验室主导了这种材料的制造。

该团队于2021年6月24日在杂志上发表的结果自然材料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的Dennis M. Kochmann Zürich。yabovip2021

从脆弱到弯曲

纳米建筑材料由图案纳米尺度的结构组成,根据它们的排列方式,可以赋予材料独特的特性,如特殊的重量和弹性。因此,纳米建筑材料被认为是潜在的更轻、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。”

由纳米尺度碳支柱制成的超轻材料

研究人员制造了一种由纳米级碳支柱制成的超级材料,其具有材料韧性和机械稳健性。资料来源:研究人员提供

该团队在快速变形的条件下,在快速变形的条件下旨在研究纳米竞技材料,例如在高速冲击期间。在CALTECH,首先使用双光子光刻制造纳米刻录物材料,该技术采用快速,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右状的重复模式 - 由微观支柱组成的晶格构型。

Portela说:“从历史上看,这种几何形状出现在减缓能量的泡沫中。”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。“虽然碳通常是易碎的,但纳米结构材料中支柱的排列和小尺寸产生了橡胶、弯曲主导的结构。”

纳米材料吸收能量

卡洛斯·波特拉说:“我们的研究表明,这种材料可以吸收大量的能量,因为这种纳米级支柱的冲击压实机制,而不是完全致密的整体结构,而不是纳米架构。”资料来源:研究人员提供

在图案化晶格结构之后,研究人员将其洗掉了剩余的树脂并将其放入高温真空炉中以将聚合物转化为碳,留下超轻纳米级碳材料。

比声速更快

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。这项技术的目标是让超快激光穿过覆盖着一层金薄膜的玻璃载玻片,而金片本身又覆盖着一层微粒子——在这种情况下,是14微米宽的硅氧化物颗粒。当激光穿过载片时,它会产生等离子体,或从金中快速膨胀的气体,这将硅氧化物粒子推向激光的方向。这使得微粒迅速加速向目标方向移动。

研究人员可以调整激光器的功率以控制微粒弹丸的速度。在实验中,他们探讨了一系列微粒速度,每秒40至1,100米,在超音速范围内。

流星撞击模型材料损伤

研究小组发现,他们可以通过一个描述陨石撞击的模型来预测这种材料所承受的破坏类型。资料来源:研究人员提供

波特拉说:“超音速是指超过大约每秒340米的速度,这是海平面空气中的声速。”“所以,有些实验很容易就实现了两倍音速的速度。”

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一种弹性更强,微粒倾向于嵌入到材料中,而不是直接穿透。

为了更仔细地观察,研究人员仔细地切割了嵌入的微粒和材料,发现在微粒下方的区域,微小的支柱和梁在撞击时已经皱缩和压实,但周围的建筑结构仍然完好无损。

微粒对纳米材料的影响

微粒冲击麻省理工学院纳米突出材料

通过使用高速摄像机,研究人员捕捉到了微粒子与纳米材料碰撞的视频。来源:麻省理工学院/研究人员提供

Portela说:“我们的研究表明,这种材料可以吸收大量的能量,因为这种纳米级支柱的冲击压实机制,而不是完全致密的整体结构,而不是纳米架构。”

有趣的是,团队发现他们可以预测材料通过使用尺寸分析框架来维持材料的损坏,用于表征行星冲击。Using a principle known as the Buckingham-Π theorem, this analysis accounts for various physical quantities, such as a meteor’s velocity and the strength of a planet’s surface material, to calculate a “cratering efficiency,” or the likelihood and extent to which a meteor will excavate a material.

当研究小组根据纳米结构薄膜的物理性质以及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实验数据显示的那种影响。

展望未来,Portela表示,该框架可用于预测其他纳米竞技材料的冲击弹性。他计划探索各种纳米结构配置,以及其他超出碳的材料,以及扩大其生产的方法 - 所有这些都是设计更强硬,更轻的保护材料的目标。

“纳米大学材料真正承诺作为影响缓解材料,”Portela说。“还有很多我们对他们不了解的很多,我们正在开始这条道路来回答这些问题并将大门打开到他们的广泛应用程序。”

参考:Carlos M. Portela,Bryce W. Edwards,David Veysset,Yuchen Sun,Keith A. Nelson,Dennis M. Kochmann和Julia R. Greer,24岁的纽瓦尔德·沃德德(Bryce W.Edware自然材料
DOI: 10.1038 / s41563 - 021 - 01033 - z

这项研究部分得到了美国海军研究办公室、万尼瓦尔·布什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支持。

1评论关于“比凯夫拉尔和钢铁更坚固:超轻材料承受超音速微粒冲击”

  1. 接下来让它自己修复。这将非常适合用于宇航服和宇宙飞船的材料。

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