超薄纳米材料可承受超音速撞击！材料科学又获成功

下图中的网状结构厚度只有我们头发的1/5，但是它却挡住了一颗超音速微粒的撞击而没有被击穿，撞击在上面留下了一个坑洞，你可以很直观地看到。

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，发现这种材料比人类头发的宽度还要薄，可以防止微型射弹穿透它。

研究人员计算出，与钢、凯夫拉尔、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。

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：“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，”合著者朱莉娅说R. Greer 是加州理工学院材料科学、力学和医学工程教授，他的实验室领导了材料的制造。

该团队今天在《自然材料》杂志上报告了其结果，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。

从易碎到易弯曲

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变形状态下的反应，而它们的许多实际用途被假设为在实际应用中没有任何缓慢变形的情况，”Portela 说。

该团队着手研究快速变形条件下的纳米结构材料，例如在高速撞击期间。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，这种几何形状出现在能量缓解泡沫中，”Portela 说，他选择在纳米级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。“虽然碳通常很脆，但纳米结构材料中支柱的排列和小尺寸产生了橡胶状、弯曲主导的结构。”

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，留下超轻的纳米结构碳材料。

比音速还快的撞击

为了测试材料对极端变形的弹性，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。该技术旨在使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——在这种情况下，是 14 微米宽的氧化硅颗粒。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，将氧化硅颗粒推向激光的方向。这导致微粒向目标快速加速。

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 米以上的任何东西，这是海平面空气中的声速，”波特拉说。“所以，一些实验很容易实现了两倍的音速。”

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撕裂。

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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。

“我们证明这种材料可以吸收大量能量，因为这种材料在纳米尺度上的冲击压实机制与完全致密和整体而非纳米结构的材料相比，”Portela 说。

有趣的是，该团队发现他们可以通过使用维度分析框架来描述行星撞击的特征，从而预测材料将承受的损害类型。使用称为白金汉-Π 定理的原理，该分析考虑了各种物理量，例如流星的速度和行星表面材料的强度，以计算“陨石坑效率”，或流星撞击的可能性和范围将挖掘材料。

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，以及扩大生产规模的方法——所有这些都是为了设计更坚固、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，我们正在开始这条道路来回答这些问题并为它们的广泛应用打开大门。”

梵观点：可以想象到这种材料的应用范围是十分广泛的，比如作为飞行器的保护涂层，或者保护太空舱免收微流星的撞击等。