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科學(xué)家制造出優(yōu)于凱夫拉爾纖維的輕質(zhì)裝甲材料
2022-03-02 17:16:25cnBeta.COM閱讀量：1547 我要評(píng)論
重量通常是科學(xué)家們推動(dòng)防彈材料邊界的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素，他們想象的盔甲在保證穿戴者安全的同時(shí)也能提高他們的機(jī)動(dòng)性。來(lái)自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的工程師們現(xiàn)在已經(jīng)制造出一種新型超輕裝甲材料，被稱(chēng)為“納米纖維墊”，它具有獨(dú)特的化學(xué)特性從而使其性能優(yōu)于凱夫拉爾纖維和鋼。
這種新型裝甲的基礎(chǔ)是厚度只有一個(gè)原子的微小碳柱。這些被稱(chēng)為碳納米管，從晶體管研究到治療視力下降再到炸彈探測(cè)裝置，該種材料已經(jīng)顯示出作為下一代材料的發(fā)展前景。
在調(diào)整碳納米管用于裝甲材料時(shí)，這項(xiàng)新研究的作者們采用了多壁版的碳納米管并將其跟凱夫拉爾納米纖維相結(jié)合。這個(gè)想法則是在早期研究的基礎(chǔ)上--證明這些材料在吸收沖擊方面的潛力，以看看它們是否可以被塑造成一個(gè)更加實(shí)用的護(hù)甲解決方案。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Ramathasan Thevamaran說(shuō)道：“納米纖維材料對(duì)保護(hù)性應(yīng)用非常有吸引力，因?yàn)楦暧^規(guī)模的纖維相比，納米規(guī)模的纖維具有出色的強(qiáng)度、韌性和剛度。截止到目前，碳納米管墊顯示了好的能量吸收，我們想看看我們是否能進(jìn)一步提高它們的性能。”
為了做到這一點(diǎn)，科學(xué)家們對(duì)化學(xué)進(jìn)行了修補(bǔ)，直到他們找到了成功的秘方。他們合成了凱夫拉爾纖維并將其少量納入由碳納米管組成的“墊子”中，兩者的比例恰到好處，這使得纖維之間能過(guò)產(chǎn)生氫鍵。這些鍵的結(jié)果是性能的巨大飛躍。
Thevamaran表示：“氫鍵是一種動(dòng)態(tài)鍵，這意味著它可以連續(xù)斷裂并再次重新形成，這允許它通過(guò)這一動(dòng)態(tài)過(guò)程耗散大量的能量。此外，氫鍵為這種相互作用提供了更多的硬度從而加強(qiáng)了納米纖維墊的強(qiáng)度和硬度。當(dāng)我們通過(guò)添加凱夫拉爾纖維來(lái)修改我們墊子中的界面相互作用時(shí)，我們能在某些超音速?zèng)_擊速度下實(shí)現(xiàn)近100%的能量耗散性能改進(jìn)。”
該團(tuán)隊(duì)使用一個(gè)微彈丸沖擊測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該材料進(jìn)行了測(cè)試。據(jù)悉，該系統(tǒng)使用激光以不同的速度向材料樣品發(fā)射微彈丸來(lái)展開(kāi)測(cè)試。
Thevamaran介紹道：“我們的系統(tǒng)是這樣設(shè)計(jì)的，我們實(shí)際上可以在顯微鏡下挑選一顆子彈并以一種非常可控的方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行射擊，其速度可以從每秒100米一直到每秒超過(guò)1公里的速度變化。這使我們能在一個(gè)時(shí)間尺度上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們可以觀察材料的反應(yīng)--當(dāng)氫鍵相互作用發(fā)生時(shí)。”
實(shí)驗(yàn)表明，這種新型材料比凱夫拉織物和鋼板更能保護(hù)人們免受高速?zèng)_擊。這為高性能、超輕裝甲材料提供了基礎(chǔ)，而不僅僅是在防彈衣中。據(jù)研究人員介紹稱(chēng)，這種材料有可能讓航天器吸收高速空間碎片的沖擊。
Thevamaran說(shuō)道：“我們的納米纖維墊表現(xiàn)出的保護(hù)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他材料系統(tǒng)，而且重量也更輕。”
原標(biāo)題：科學(xué)家制造出優(yōu)于凱夫拉爾纖維的輕質(zhì)裝甲材料
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