新材料可以制造轻型装甲、防护涂层、防爆盾和其他抗冲击结构

新材料可以制造轻型装甲、防护涂层、防爆盾和其他抗冲击结构

美国陆军资助的一项最新研究发现，一种新型纳米结构材料比Kevlar和钢更坚固，可以用于制造轻型装甲、防护涂层、防爆盾和其他抗冲击结构。这项由麻省理工学院、加州理工学院和苏黎世联邦理工学院的研究人员共同完成的研究成果发表在《自然材料》杂志上，为国防和太空应用所需的高效装甲材料、保护涂层和防爆盾的设计提供了新的可能性。

在实验中，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影响。美国陆军作战能力发展司令部（称为陆军研究实验室 DEVCOM）的 ISN 项目经理詹姆斯·伯吉斯博士说,在增加保护的同时减少士兵携带的重量是我们研究中的一个过度主题。这个项目是这种努力的一个很好的例子，其中射弹能量吸收是基于纳米结构的机制。

发表在《自然材料》杂志上的研究发现，这种材料可以防止射弹穿过它。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·波特拉博士说,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。

研究人员计算出，这种新材料比钢、凯夫拉尔、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，合著者博士说。

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，其他应用的潜力在很大程度上还没有经过测试。我们只知道它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。

为了帮助填补这一重要的知识空白，研究团队着手研究经历快速变形的纳米结构材料，例如由高速撞击引起的变形。在加州理工学院，研究人员首先制造了一种重复图案，称为四面体——一种由微观支柱组成的晶格配置——使用双光刻技术，一种使用高功率激光固化光敏树脂中的微观结构的技术。

为了测试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。该设备将超快激光瞄准通过载玻片。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。

通过调整激光功率来控制微粒弹丸的速度，研究人员测试了超音速范围内的微粒速度。一些实验很容易达到两倍音速，Portela 说。

研究人员使用高速相机拍摄了影响纳米结构材料的微粒的视频。他们制造了两种不同密度的材料。对两种材料的冲击响应进行比较后发现，密度越大的材料弹性越大，而且微粒倾向于嵌入材料中而不是撕裂材料。

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。

我们展示了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。

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，所有这些都旨在设计更坚固、更轻的材料。纳米结构材料确实很有希望作为减轻冲击的材料，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。