新型奈米碳支柱超輕材料,可承受超音速微粒撞擊不撕裂

作者 | 發布日期 2021 年 06 月 25 日 17:39 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


一種由奈米碳支柱製成的超輕材料結構,比頭髮還細,卻比目前製造防彈背心的必要材料「克維拉(Kevlar)纖維」更輕也更堅韌。

圖案化奈米結構根據排列方式不同,可以賦予材料獨特特性,比如異常輕盈或彈性等,也因此被視為下一代更輕、更堅固防護塗層、防爆盾、輕質裝甲、防彈背心等抗衝擊有效材料,只是多數還未經測試。

雖然一般情況下碳很脆,但來自麻省理工學院、加州理工學院與瑞士蘇黎世聯邦理工學院的科學家們,將光敏樹脂經雙光子光刻技術雷射處理後,固化形成由重複微觀支柱組成的四面晶格圖案,接著洗掉多餘樹脂並將其放入高溫真空室,把這種聚合物轉化為超輕碳結構,團隊指出新材料的晶格特性可透過微調成橡膠狀的彎曲結構來改變。

為了測試新型奈米碳支柱超輕材料的快速變形情況,研究人員進行了微粒衝擊實驗。

當雷射穿過塗有金膜與氧化矽顆粒(14 微米寬)的載玻片時,會產生等離子體(快速膨脹的氣體)並將氧化矽顆粒推向目標,噴射速度達每秒 40 ~1,100 公尺,接著使用高速攝影機捕捉微粒撞擊新材料的結果,確定新材料吸收了這些超音速(supersonic)顆粒,而不是被一擊撕裂。

▲ 高速攝影機捕捉微粒撞擊新材料。

為了更仔細觀察,研究人員還切開了被氧化矽微粒嵌入的材料面,發現微粒正下方區域雖然受到撞擊而皺縮,但周圍結構仍完好無損。根據分析,這種新材料能比相等重量的鋼、鋁甚至克維拉(Kevlar)纖維更有效吸收衝擊能量,如果能找出擴大生產規模的方法,將能設計出更堅固、更輕的各種保護材料。

新論文發表在《自然材料》(Nature Materials)期刊。

(圖片來源:麻省理工學院