新型輕質超級材料可以對抗子彈，偏轉太空碎片
發布時間 :2022-03-01
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新型輕質超級材料可以對抗子彈，偏轉太空碎片作者：威斯康星大學麥迪遜分校 的 Adam Malecek學分：CC0 公共領域威斯康星大學麥迪遜分校的工程師們創造了一種納米纖維材料，在防止高速彈丸撞擊方面，其性能優于廣泛使用的同類材料（包括鋼闆和凱夫拉織物）。基本上，它比防彈更好。
領導這項研究的威斯康星大學麥迪遜分校工程物理學助理教授 Ramathasan Thevamaran 說：“我們的納米纖維墊表現出的保護性能遠遠超過其他材料系統，而且重量更輕。”他和他的合作者在最近發表在ACS Nano雜志上的一篇論文中詳細介紹了這一進展。
為了制造這種材料，Thevamaran 和博士後研究員 Jizhe Cai 将多壁碳納米管（每層隻有一個原子厚的碳圓柱體）與 Kevlar 納米纖維混合在一起。由此産生的納米纖維墊在消散速度超過音速的微小彈丸的沖擊力方面表現出色。
這一進展為碳納米管在輕質、高性能裝甲材料中的應用奠定了基礎，例如，用于防彈背心以更好地保護佩戴者或用于航天器周圍的防護罩以減輕高速飛行微碎片造成的損害。“納米纖維材料對于防護應用非常有吸引力，因為與宏觀纖維相比，納米纖維具有出色的強度、韌性和剛度，”Thevamaran 說。“到目前為止，碳納米管墊的能量吸收效果最好，我們想看看我們是否可以進一步提高它們的性能。”
他們找到了正确的化學反應。該團隊合成了凱夫拉爾納米纖維，并将其中的少量加入到他們的碳納米管墊中，從而在纖維之間形成了氫鍵。這些氫鍵改變了納米纖維之間的相互作用，并且與凱夫拉爾納米纖維和碳納米管的正确混合物一起，導緻了整體材料性能的巨大飛躍。“氫鍵是一種動态鍵，這意味着它可以不斷地斷裂并再次重新形成，使其能夠通過這個動态過程耗散大量能量，”Thevamaran 說。“此外，氫鍵為這種相互作用提供了更大的剛度，從而加強和硬化了納米纖維墊。當我們通過添加凱夫拉爾納米纖維來改變墊子中的界面相互作用時，我們能夠在某些情況下實現近 100% 的能量耗散性能改進。超音速撞擊速度。”帶上子彈。研究人員在 Thevamaran 的實驗室中使用激光誘導的微粒沖擊測試系統測試了他們的新材料。該系統是美國為數不多的類似系統之一，它使用激光将微型子彈射入材料樣本中。“我們的系統的設計使得我們實際上可以在顯微鏡下挑選一顆子彈，并以非常可控的方式将其射向目标，速度非常可控，可以從每秒 100 米一直變化到超過 1 公裡每秒，”Thevamaran 說。“這使我們能夠在一個時間尺度上進行實驗，我們可以觀察材料的反應——當氫鍵相互作用發生時。”
除了抗沖擊性外，新型納米纖維材料的另一個優點是，與 Kevlar 一樣，它在非常高和非常低的溫度下都很穩定，因此可用于各種極端環境中的應用。
