超音速微粒“子弹”算什么?超轻纳米结构材料问世!有望用于轻质装甲、防爆盾和保护涂层
来源: 高分子科学前沿 作者: 2021年06月30日 14:00
在漫威电影中,钢铁侠总是穿着一身铠甲,威风凛凛地去打击恐怖分子。MK3战甲,不仅配备强大的攻击武器,而且能够抵御单兵武器的射击。这是因为其内结构中采用了一层蜂巢结构设计,提高了防弹和减震能力。

图1. 钢铁侠MK3战甲的内层蜂窝状防护结构

过去,人类使用的抗冲击防爆材料主要由钢、铁和铝等沉重的金属构成。多年以来,科学家们一直在研制更轻、功能性更强的抗撞击防爆材料。其中,最出名的当属美国杜邦(DuPont)公司研制的凯夫拉(Kevlar)纤维。Kevlar 纤维的抗拉性能极佳,其强度为同等质量钢铁的五倍,但密度仅为钢铁约五分之一,而且不会像钢铁般与氧气和水产生锈蚀。然而,Kevlar 也存在一些弱点,比如在碱性环境下或暴露于氯及紫外线下时,会逐渐被分解。纳米结构材料由图案化的纳米级结构组成,根据其排列方式,这些结构可以赋予材料独特的弹性和超轻特征。因此,纳米结构材料可能成为更轻、更坚固的抗冲击材料。近日,来自麻省理工学院和加州理工的研究团队研发出一款可抵抗超音速微粒 " 子弹 " 撞击的神奇材料,有望成为Kevlar纤维的理想替代品。据悉,这款材料由精确图案化设计的超轻纳米碳纤维组成,不仅比人头发丝直径还薄,而且具有超强的韧性和机械强度,可以抵抗超音速的微粒“子弹”(见视频)!如果在工业上实现大规模生产,这款材料将有望大幅度提升轻质装甲、防护涂层、防爆盾牌和其他抗冲击装备的总体性能。

相关论文以 "Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon" 为题,于 6 月 24 日发表在权威科学期刊《Nature Materials》上。

激光打印图案化结构,碳化后秒变弹性纳米碳材料

为了研究快速变形条件(如高速撞击)下的纳米结构材料,研究团队选择在纳米单位上重复打印一种复杂的十四面体结构。这种结构通常出现在减震泡沫中,研究人员想知道:如果许多这样的多面体可以被塞进一个小空间并相互连接,是否会成为一种有效的减震器。


图2. 超轻的纳米结构碳材料

双光子光刻(two-photon lithography)是目前领先的一种激光 3D 打印技术,可以用高功率激光固化光敏树脂的微观结构,从而将打印分辨率提高到难以置信的精度。研究人员使用双光子光刻技术来打印这种纳米结构材料(图3)。首先在纳米尺度上通过重复模式,构建了十四面体——一种由微观支柱组成的晶格结构;在对晶格结构进行图案化后,研究人员洗掉了剩余的树脂并将其放入高温真空炉中,将聚合物转化为碳,从而生产出超轻的纳米结构碳材料

图3. 纳米结构碳材料的制备及微粒撞击实验装置示意图。

据了解,之所以选择在纳米级碳材料中复制这种类似泡沫的结构,但是十四面体的晶格结构赋予了这种材料特有的灵活性和抗冲击性。虽然碳材料通常是易碎的,但是该材料在受到撞击时能够像橡胶一样弯曲。能抵抗比音速还快的微粒 " 子弹 "为了测试新型材料在极端变形条件下的弹性,研究团队使用激光诱导粒子冲击测试进行了微粒撞击实验(图3f)。首先,他们用超快激光对准了涂有金薄膜的载玻片,该载玻片本身在金薄膜外还覆盖着一层 14 微米厚的二氧化硅微粒。当激光穿过玻片时其产生的等离子体可以将二氧化硅微粒沿着激光的方向急速推进。当激光穿过载玻片时,它会产生等离子体,或从金中快速膨胀的气体,将氧化硅颗粒沿着激光的方向急速推进。这导致微粒向目标快速加速。在实验过程中,研究人员通过调整激光的功率来控制微粒“子弹”的速度,微粒子速度的范围从 40 m/s到超音速的 1100 m/s不等(手枪,一般口径4.5mm-9mm,子弹出口速度一般300-500m/秒,有效射程10-50米。 步枪,一般口径5.5-7.62 mm,子弹出口速度大约700-800米/秒,有效射程可达1000米)。随后,研究人员使用高速摄像机,捕捉到了微粒与纳米结构碳材料碰撞的画面(图4)。

图4. 微粒撞击的过程及其对材料结构的影响

值得一提的是,超音速是指每秒大约 340 米以上的任何速度,也就是海平面上空气中的音速。因此,这次实验中微粒的最大速度已经达到了音速的两倍以上。纳米结构碳材料的密度越大,弹性越强,可吸收的能量越多进一步研究发现,纳米结构碳材料的密度越大,碳结构的弹性越强,它们会很好的吸收冲击力,阻止微粒穿透。而且微粒往往会嵌入材料中,而不是直接将它撕裂。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中,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。


图5. 微粒撞击纳米结构碳材料后,嵌入材料内部的剖面图

对此,论文的通讯作者、加州理工大学教授 Julia R.Greer 表示:" 从这项实验中获得的数据可以为超轻型抗冲击材料、高效装甲材料、防护涂层和防爆盾牌提供灵感。"同时,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:" 我们的研究证明,相较于致密和整体式的结构来说,这种由十四面体构造的纳米材料可以吸收大量能量。"而且, “与相同质量的凯夫拉纤维相比,相同质量的材料在阻止弹射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。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,团队成员还将继续探索各种纳米结构以及除了碳以外的其他材料。Portela 表示:" 纳米结构材料很有希望成为新的抗冲击材料。然而我们对它们还有很多不了解的地方,我们开始着手回答这些问题,并将为它的广泛应用打开大门。"

参考文献:Portela, C.M., Edwards, B.W., Veysset, D. et al. Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01033-z

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