圖1. 鋼鐵俠MK3戰(zhàn)甲的內(nèi)層蜂窩狀防護(hù)結(jié)構(gòu)

過(guò)去，人類(lèi)使用的抗沖擊防爆材料主要由鋼、鐵和鋁等沉重的金屬構(gòu)成。多年以來(lái)，科學(xué)家們一直在研制更輕、功能性更強(qiáng)的抗撞擊防爆材料。其中，最出名的當(dāng)屬美國(guó)杜邦（DuPont）公司研制的凱夫拉（Kevlar）纖維。Kevlar 纖維的抗拉性能極佳，其強(qiáng)度為同等質(zhì)量鋼鐵的五倍，但密度僅為鋼鐵約五分之一，而且不會(huì)像鋼鐵般與氧氣和水產(chǎn)生銹蝕。然而，Kevlar 也存在一些弱點(diǎn)，比如在堿性環(huán)境下或暴露于氯及紫外線(xiàn)下時(shí)，會(huì)逐漸被分解。納米結(jié)構(gòu)材料由圖案化的納米級(jí)結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)其排列方式，這些結(jié)構(gòu)可以賦予材料獨(dú)特的彈性和超輕特征。因此，納米結(jié)構(gòu)材料可能成為更輕、更堅(jiān)固的抗沖擊材料。近日，來(lái)自麻省理工學(xué)院和加州理工的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款可抵抗超音速微粒 " 子彈 " 撞擊的神奇材料，有望成為Kevlar纖維的理想替代品。據(jù)悉，這款材料由精確圖案化設(shè)計(jì)的超輕納米碳纖維組成，不僅比人頭發(fā)絲直徑還薄，而且具有超強(qiáng)的韌性和機(jī)械強(qiáng)度，可以抵抗超音速的微粒“子彈”（見(jiàn)視頻）！如果在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，這款材料將有望大幅度提升輕質(zhì)裝甲、防護(hù)涂層、防爆盾牌和其他抗沖擊裝備的總體性能。

相關(guān)論文以 "Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon" 為題，于 6 月 24 日發(fā)表在權(quán)威科學(xué)期刊《Nature Materials》上。

激光打印圖案化結(jié)構(gòu)，碳化后秒變彈性納米碳材料

為了研究快速變形條件（如高速撞擊）下的納米結(jié)構(gòu)材料，研究團(tuán)隊(duì)選擇在納米單位上重復(fù)打印一種復(fù)雜的十四面體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通常出現(xiàn)在減震泡沫中，研究人員想知道：如果許多這樣的多面體可以被塞進(jìn)一個(gè)小空間并相互連接，是否會(huì)成為一種有效的減震器。

圖2. 超輕的納米結(jié)構(gòu)碳材料

雙光子光刻（two-photon lithography）是目前領(lǐng)先的一種激光 3D 打印技術(shù)，可以用高功率激光固化光敏樹(shù)脂的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，從而將打印分辨率提高到難以置信的精度。研究人員使用雙光子光刻技術(shù)來(lái)打印這種納米結(jié)構(gòu)材料（圖3）。首先在納米尺度上通過(guò)重復(fù)模式，構(gòu)建了十四面體——一種由微觀(guān)支柱組成的晶格結(jié)構(gòu)；在對(duì)晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖案化后，研究人員洗掉了剩余的樹(shù)脂并將其放入高溫真空爐中，將聚合物轉(zhuǎn)化為碳，從而生產(chǎn)出超輕的納米結(jié)構(gòu)碳材料。

圖3. 納米結(jié)構(gòu)碳材料的制備及微粒撞擊實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

據(jù)了解，之所以選擇在納米級(jí)碳材料中復(fù)制這種類(lèi)似泡沫的結(jié)構(gòu)，但是十四面體的晶格結(jié)構(gòu)賦予了這種材料特有的靈活性和抗沖擊性。雖然碳材料通常是易碎的，但是該材料在受到撞擊時(shí)能夠像橡膠一樣彎曲。能抵抗比音速還快的微粒 " 子彈 "為了測(cè)試新型材料在極端變形條件下的彈性，研究團(tuán)隊(duì)使用激光誘導(dǎo)粒子沖擊測(cè)試進(jìn)行了微粒撞擊實(shí)驗(yàn)（圖3f）。首先，他們用超快激光對(duì)準(zhǔn)了涂有金薄膜的載玻片，該載玻片本身在金薄膜外還覆蓋著一層 14 微米厚的二氧化硅微粒。當(dāng)激光穿過(guò)玻片時(shí)其產(chǎn)生的等離子體可以將二氧化硅微粒沿著激光的方向急速推進(jìn)。當(dāng)激光穿過(guò)載玻片時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生等離子體，或從金中快速膨脹的氣體，將氧化硅顆粒沿著激光的方向急速推進(jìn)。這導(dǎo)致微粒向目標(biāo)快速加速。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員通過(guò)調(diào)整激光的功率來(lái)控制微?！白訌棥钡乃俣龋?/span>微粒子速度的范圍從 40 m/s到超音速的 1100?m/s不等（手槍,一般口徑4.5mm-9mm,子彈出口速度一般300-500m/秒,有效射程10-50米。?步槍,一般口徑5.5-7.62 mm,子彈出口速度大約700-800米/秒,有效射程可達(dá)1000米）。隨后，研究人員使用高速攝像機(jī)，捕捉到了微粒與納米結(jié)構(gòu)碳材料碰撞的畫(huà)面（圖4）。

圖4. 微粒撞擊的過(guò)程及其對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響

值得一提的是，超音速是指每秒大約 340 米以上的任何速度，也就是海平面上空氣中的音速。因此，這次實(shí)驗(yàn)中微粒的最大速度已經(jīng)達(dá)到了音速的兩倍以上。納米結(jié)構(gòu)碳材料的密度越大，彈性越強(qiáng)，可吸收的能量越多進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，納米結(jié)構(gòu)碳材料的密度越大，碳結(jié)構(gòu)的彈性越強(qiáng)，它們會(huì)很好的吸收沖擊力，阻止微粒穿透。而且微粒往往會(huì)嵌入材料中，而不是直接將它撕裂。為了更仔細(xì)地觀(guān)察，研究人員仔細(xì)地切開(kāi)嵌入的微粒和材料，發(fā)現(xiàn)在嵌入微粒正下方的區(qū)域中，微觀(guān)支柱和梁在撞擊時(shí)已經(jīng)皺縮并壓縮，但周?chē)慕Y(jié)構(gòu)仍然完好無(wú)損。

圖5. 微粒撞擊納米結(jié)構(gòu)碳材料后，嵌入材料內(nèi)部的剖面圖

對(duì)此，論文的通訊作者、加州理工大學(xué)教授 Julia R.Greer 表示：" 從這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)可以為超輕型抗沖擊材料、高效裝甲材料、防護(hù)涂層和防爆盾牌提供靈感。"同時(shí)，該研究的主要作者、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程助理教授Carlos Portela 說(shuō)：" 我們的研究證明，相較于致密和整體式的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這種由十四面體構(gòu)造的納米材料可以吸收大量能量。"而且，?“與相同質(zhì)量的凱夫拉纖維相比，相同質(zhì)量的材料在阻止彈射方面的效率要高得多。如果大規(guī)模生產(chǎn)，這種材料和其他納米結(jié)構(gòu)材料可能會(huì)被設(shè)計(jì)為更輕、更堅(jiān)固的凱夫拉纖維和鋼的替代品。展望未來(lái)，Portela 表示該框架可用于預(yù)測(cè)其他納米結(jié)構(gòu)材料的沖擊彈性，團(tuán)隊(duì)成員還將繼續(xù)探索各種納米結(jié)構(gòu)以及除了碳以外的其他材料。Portela 表示：" 納米結(jié)構(gòu)材料很有希望成為新的抗沖擊材料。然而我們對(duì)它們還有很多不了解的地方，我們開(kāi)始著手回答這些問(wèn)題，并將為它的廣泛應(yīng)用打開(kāi)大門(mén)。"

參考文獻(xiàn)：Portela, C.M., Edwards, B.W., Veysset, D. et al. Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01033-z