陈根:新型纳米材料,有望开启防护材料新市场

文/陈根

纳米材料由图案化的纳米级结构组成,根据不同的排列方式,这些结构可以赋予材料独特的性质,例如异常轻盈或者富有弹性。因此,在研究和制造领域,纳米材料都被视为潜力十足的材料。

近日,来自麻省理工学院、加州理工和苏黎世联邦理工学院的科学家们,联合研发了一款可抵抗超音速微粒的神奇材料。该材料由纳米级碳纤维制造而成,直径堪比人类头发丝。

这款材料采用了复杂的十四面体结构,能够形成约 15 亿种变化的可能,理论上它可以有效用自身的复制品填充空间,这种结构通常出现在减震泡沫中。之后,研究人员使用双光子光刻技术(two-photon lithography)进行打印。

陈根:新型纳米材料,有望开启防护材料新市场

双光子光刻,简单来说,是一种领先的激光 3D 打印技术。普通的 3D 激光打印技术的分辨率受打印机激光点大小的限制,而双光子光刻技术可用高功率激光固化光敏树脂的微观结构,从而显著提升打印分辨率的精度。

打印完成后,材料需要放入高温真空炉中烘烤,将聚合物转化为碳,从而生产出超轻的纳米结构碳材料。虽然碳材料易碎,但是十四面体的晶格结构赋予了这种材料特有的灵活性和抗冲击性,使其在受到撞击时可以像橡胶一样弯曲。

为了测试新型材料在极端变形条件下的弹性,研究人员进行了激光诱导微粒撞击实验。他们用超快激光对准了涂有铂金层的玻片,在金薄膜外还覆盖着一层14微米厚的二氧化硅微粒。当激光穿过玻片时,其产生的等离子体可以将二氧化硅微粒沿着激光的方向急速推进。

实验中,微粒子速度的范围从40米/秒到超音速的1100米/秒不等。一般来说,超音速是指每秒大约340米以上的任何速度,而这次实验中微粒的最大速度已经达到了音速的两倍以上。另外,密度越大,碳结构的弹性越强,它们会很好的吸收冲击力,阻止微粒穿透。

以往人类使用的抗冲防爆材料主要由钢、铁和铝等金属构成,但这些金属一个明显的缺陷就是重量大。而该材料在满足防护力的同时,还十分轻便。未来,如果其在工业上能够实现大规模生产,将有望提升轻质装甲、防护涂层、防爆盾牌和其他相关抗冲击装备的总体性能。

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