一项由美国陆军资助的研究发现了一种三维纳米结构碳材料，这种新材料可能用于制造轻型装甲、防护涂层、防爆盾和其他抗冲击结构。
麻省理工学院、加州理工学院和苏黎世联邦理工学院美国陆军士兵纳米技术研究所的研究人员发现，由精确图案化的纳米级桁架形成的材料比凯夫拉纤维和钢更坚固。
在实验中，这种被称为纳米结构材料的超轻结构吸收了加速到超音速的微型射弹的冲击。
美国陆军作战能力发展司令部(简称DEVCOM，陆军研究实验室) ISN 项目经理 James Burgess博士说：“增加保护同时减少士兵携带的重量是我们研究的一个过度主题。”“这个项目是基于纳米结构机制的射弹能量吸收的一个很好的例子。”
这项发表在 Nature Materials 杂志上的研究发现，这种材料可以防止炮弹撕裂它。
该研究的主要作者、麻省理工学院(MIT)机械工程助理教授Carlos Portela 博士说:“与相同质量的凯夫拉纤维相比，同样质量的材料阻止炮弹的效率要高得多。”
研究人员计算出，这种新材料比钢、凯夫拉纤维、铝和其他同等重量的抗冲击材料更有效地吸收冲击。
“从这项工作中获得的知识…….可以为超轻质抗冲击材料[用于]国防和太空应用所需的高效装甲材料、保护涂层和防爆盾提供设计原则，”共同作者Julia R. Greer 博士说，他是加州理工学院材料科学、力学和医学工程教授，他的实验室制造了这种材料。
众所周知，纳米结构材料具有令人印象深刻的特性，例如异常轻盈和弹性；然而，到目前为止，其他方面的应用潜力在很大程度上还没有经过测试。
Portela说:“我们只知道它在缓慢变形状态下的反应，而它们的很多实际应用是假设在没有什么东西会缓慢变形的现实世界中。”
为了填补这一重要的知识空白，研究小组开始研究纳米结构材料的快速变形，比如由高速撞击引起的变形。在加州理工学院，研究人员首先使用双光刻技术制造了一种十四面体重复图案——一种由微观支柱组成的晶格配置，这种技术使用高功率激光在光敏树脂中固化微观结构。
图1 材料制备及微粒冲击实验
为了测试十四面体对极端快速变形的弹性，该团队在麻省理工学院使用 ISN 开发的激光诱导粒子撞击阵列进行了实验。这个装置通过玻璃载玻片使超快激光瞄准。当激光穿过载玻片时，它会产生等离子体，即气体的立即膨胀，将粒子发射到目标。
通过调节激光的功率来控制微粒的速度，研究人员测试了超音速范围内的微粒速度。
利用高速摄像机，研究人员捕捉到了微粒子撞击纳米材料的视频。他们制造了两种不同密度的材料。对比两种材料的冲击响应，发现密度更大的一种弹性更强，而且微粒倾向于嵌入材料而不是撕裂材料。
为了更仔细地观察，研究人员仔细地切开了嵌入的微粒和纳米结构的目标。他们发现，嵌入颗粒下方的支柱在撞击时已经皱缩并压实，但周围的支柱仍然完好无损。
图2 冲击过程及其造成的损伤
“我们的研究表明，与完全致密而非纳米结构的整体结构相比，这种在纳米尺度上的冲击压实机制材料可以吸收大量的能量。” Portela表示。
展望未来，Portela计划探索除碳以外的各种纳米结构配置，以及扩大这些纳米结构生产的方法，所有这些目标都是设计更坚固、更轻的材料。
总之，我们制作了一种三维纳米结构热解碳，它在超音速微粒碰撞时表现出极大的能量耗散。在相同的冲击比能量下，其结构和纳米级材料尺寸效应使比能量耗散比凯夫拉纤维和纳米级聚苯乙烯薄膜高出70%。采用冲击计划的量纲分析为精确的损伤预测提供了一个框架，具有应用于更大尺度上的量纲相似试验的潜力。虽然需要进一步的探索来理解给定的结构对坑响应的影响，但这项工作表明，传播压实冲击的能力可以解释额外的耗散机制，使这些材料的极端冲击效率。我们认为这项工作超越了对纳米结构材料的经典测试，冒险进入对结构材料的广泛适用性至关重要的未经探索的机械机制。正确理解这些体系中的建筑材料有助于为轻型弹道防御或空间碎片应用的保护材料设计提供信息。
◾ 文献信息：
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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