美研發出超輕抗壓減震泡沫 有望成軍用頭盔材料

【新唐人北京時間2022年12月16日訊】美國一所大學最新開發的一種質量超輕的減震泡沫,吸收能量的能力是美國目前軍隊作戰頭盔內襯塑料泡沫的18倍,且具有更高的強度和剛度,可以提供更好的衝擊保護,並有望成為製作軍用頭盔的新型材料。

威斯康星大學麥迪遜分校(University of Wisconsin-Madison)團隊12月1日在《科學指導》中的《極限力學快報》雜誌上發表的一項研究中詳細介紹了其進展。

目前,該研究獲得了美國海軍和陸軍研究辦公室的資助。另外,軍事行業合作夥伴、頭盔製造商Team Wendy正在試驗頭盔內襯原型的新材料,以研究其在現實場景中的實際性能。

以前,凡具有層次結構的材料,都被證明擁有良好的機械性能,而碳奈米管是其中一種具有層次結構性的材料。一般的碳納米管本身因卓越的機械性,時常被拿來研究其是否還有其它的性能沒有被發現。

這次研究人員為了將這種材料運用到頭盔上,希望進一步提高它在其它方面性能,因此設計了一種多種尺寸和擁有獨特結構特徵的新型奈米碳管材料。

這種新型材料由許多微米級的圓柱體結構組成,並垂直排列成許多碳納米管泡沫(VACNT)。研究人員從納米碳管開始,管子每層厚度只有一個碳原子,將其進行多層堆疊後,形成一種由碳構成的空心圓柱體,並對其做有關於強度、能量吸收(SEA)和壓力等方面的測驗。

實驗中,他們採用了幾種不同的厚度,對每個管內直徑、管壁尺寸和每個碳管之間的距離進行了一系列測試,這是一項不小的任務。他們一共研究了60種不同的組合,並對每個樣本進行了三項測試,進行了180次實驗,共做出180個樣本。

在測試這些樣本對於外部衝擊產生的形變和恢復的狀況時,發現VACNT泡沫的抗壓強度(材料永久失效時的應力)比普通的泡沫材料要高得多,能夠承受80%或更高的應力並幾乎完全恢復。

研究人員在測試的過程發現,碳奈米管的管內直徑在50微米(μm)、管壁厚度在10微米(μm)以下,且碳奈米管之間排列越近時,所產生的泡沫減震性能越佳,反之則越差。

他們發現,這種差異來源於生產出來的碳納米管泡沫密度,泡沫的密度越高,在面積相同的情況下,會存有更多的碳圓柱體,而這些碳圓柱體能夠分散外部帶來的衝擊。

這項碳納米管泡沫(VACNT)材料能量吸收力是美國軍隊使用高級戰鬥頭盔襯裡使用的Zorbium(聚氨酯)泡沫材質的18倍。

另外,VACNT材料還提供卓越的熱穩定性和抗壓力強度,讓材料在高溫和一定程度的壓力環境,不易產生降解或變形的問題,同時也優於許多商業聚合物、金屬和其他建築泡沫。

領導這項研究、該校的工程物理學教授拉姆塔桑·提瓦瑪蘭(Ramathasan Thevamaran)對威斯康星大學新聞社表示,「這種新材料具有巨大的能量吸收潛力,因此可以減輕衝擊造成的影響,這反過來有效降低腦損傷的可能性。」

提瓦瑪蘭教授還表示,「由於我們採用上述的架構,並預計整體性能會得到改善時,但令我意想不到的是,當圓柱體厚度為10微米時,性能就能得到了如此顯著的增強。」

他補充說明,「這是由於結構和特性之間,出現了一種不尋常的尺寸效應,且實驗結果證明這種效應非常明顯,也證明它的特性是我們所需要的。」

威斯康星大學新聞社報導還提到,由於碳納米管特殊結構,使得這種新材料在極高和極低溫度的情況下,都能保持穩健的減震性能,讓該材料適合在極端環境使用。

(轉自大紀元/責任編輯:葉萍)

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