加州理工学院3D打印纳米材料防弹装甲,性能优于纤维材料和...

3D打印科研前沿
2021
07/28
19:44
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本帖最后由 warrior熊 于 2021-7-28 19:58 编辑

南极熊导读:在战争中,防弹装甲被士兵视为最为重要的装备之一,毕竟它是保障生命的最后一道防线。从古至今,制作防护装甲的材料也在不断演变,冷兵器时代的人们多采用藤条、竹板等来制作护甲。随着冶炼、铸造技术的不断进步,也出现了锁子甲、重甲等以钢铁材料打造的护身装备。直至近代,防弹衣的制作材料也逐渐扩展为钢板、陶瓷、多层纤维材料等,所提供的防护等级也在不断提高。除了防护性能外,也需要考虑到士兵的穿戴体验,因此,如何创造出质轻、防冲击性能优良的材料制作防弹衣一直以来也是属于材料科学的前沿研究。
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防护装甲

2021年7月28日,南极熊获悉,由麻省理工学院、加州理工学院、苏黎世联邦理工学院和美国陆军研究实验室组成的士兵纳米技术研究所(ISN)已经利用纳米级的3D打印技术形成了一种材料,据说这种材料在防弹方面比凯夫拉(KEVLAR,一种芳纶纤维材料产品)或钢更有效。

这种材料比人类的一根头发还要薄,它是由微小的碳支柱制成的,这些支柱形成了相互连接的四面体,它有14个面的结构,通过双光子光刻技术制造完成。

据该团队称,这种纳米架构的材料有可能取代凯夫拉,并应用到武装部队的各种防弹防护装备中。

根据加州理工学院材料科学家Julia Greer的说法,这项工作可以为超轻量级的抗冲击材料提供设计思路,用于制作国防和空间应用中理想的高效装甲材料、防护涂层和抗爆盾牌。

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△ISN已经开发出一种纳米结构的材料,据说比凯夫拉或钢更有效地阻止射弹。照片来自加州理工学院

纳米级的材料结构工程

纳米架构材料的结构是在纳米尺度上设计的,使科学家能够设计出几乎任何可以想象的具有理想特性的三维形状。虽然纳米架构材料在压缩和拉伸条件下的高强度之前已经得到了验证,但ISN团队试图进一步探索这种材料如何在高速冲击下维持结构。

ISN开发的材料由通过双光子光刻技术排列的、由碳支柱组成的相互连接的四面体组成。自2018年以来,格里尔的团队一直在探索双光子光刻技术在打印纳米级3D打印物体方面的能力。

四面体结构最早是由开尔文勋爵在19世纪提出的,理论上是用自身的复制体填充空间的最有效结构之一。

对光敏感的光刻胶构成了纳米架构材料的基础,在双光子光刻过程中,根据激光器的光照射来确定其形状。在这个过程中,紧密聚焦的激光在光刻胶内进行三维追踪,使材料凝固,直到打印出完整的结构。然后,打印的结构通过在极高温度下的熔炉中燃烧而热解,将聚合物转化为热解碳。

两种版本的超薄材料以不同的密度被创造出来,并以每秒40至1100米的速度用直径为14微米的微粒子进行爆破(音速是每秒340米)。密集型材料被发现对爆炸有更强的弹性,微粒子嵌入材料中,而不是像完全密集的聚合物或相同厚度的碳片那样被撕裂。

据观察,紧紧围绕着微粒子的碳支柱崩溃了,而整体结构保持完好。根据ISN团队的说法,纳米结构材料的性能比钢铁高出100%以上,比凯夫拉复合材料高出70%以上。

麻省理工学院机械工程系助理教授、论文的主要作者Carlos Portela说:"从历史上看,这种几何形状出现在能量缓解的泡沫中。虽然碳通常是脆性的,但纳米架构材料中的支杆的排列和小尺寸产生了一种橡胶的、以弯曲为主的架构。我们证明材料可以吸收大量的能量,因为这种纳米级的支杆的冲击压实机制与完全密集和单一的东西相比,不是纳米架构的。"

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材料制造和微粒子冲击实验的结果。图片来自《自然材料》

ISN的合作伙伴认为,所开发的材料有可能取代凯夫拉和钢,用于武装部队中士兵使用的装甲材料、保护性涂层和抗爆盾牌。然而,在该材料能够用于现实世界的应用之前,仍需进行进一步的开发。

展望未来,研究人员将设法找到扩大该材料生产规模的方法,并探索其他纳米架构材料如何在高速冲击下保持稳定。

关于这种纳米架构材料的进一步信息可以在《Nature Materials》杂志上发表的题为"Supersonic Impact Resilience of Nanoarchitected Carbon"的论文中找到。这项研究是由C. Portela, B. Edwards, D. Veysset, Y. Sun, K. Nelson, D. Kochmann和J. Greer共同撰写的。


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在超音速下用微粒子爆破材料的冲击过程和造成的损害。图片来自《自然材料》

纳米级3D打印

由于纳米级3D打印所开辟的潜在应用范围,科学家们越来越希望优化该技术并开发新的工艺、材料和应用。

例如,来自代顿大学的研究人员开发了一种增强的、具有成本效益的3D打印纳米级结构的技术,被称为光-热-机械(OTM)纳米打印技术。利用低成本的激光束,该技术能够在比人类头发小一千倍的尺寸上进行打印。

在其他地方,来自Fraunhofer IMM的科学家们正在开发一种新型的多光子光刻工艺,以生产纳米级的金属3D打印结构,而美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员一直在研究一种新方法,以在纳米级3D打印凝胶和软材料。据NIST称,该技术可以创建复杂的微观结构,如柔性电极、生物传感器或软性微型机器人。


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