IT 之家 12 月 27 日消息,研究人員近日開發出由碳納米管制成的新型輕質減震泡沫,将其作爲頭盔襯墊時,吸收沖擊的能力是美國目前軍隊作戰頭盔内襯塑料泡沫的 30 倍。
在運動員和退伍軍人中,創傷性腦損傷 (TBI) 是永久性殘疾和死亡的主要原因之一。損傷統計數據顯示,大多數腦震蕩(腦震蕩是一種亞型)都與斜向沖擊有關,斜向沖擊使大腦受到線性和旋轉動能力的組合,并導緻脆弱的腦組織剪切。
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威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員深入研究 TBI,研發了垂直排列的碳納米管(VACNT)減震泡沫。
這種新型材料由許多微米級的圓柱體結構組成,并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,管子每層厚度隻有一個碳原子,将其進行多層堆疊後,形成一種由碳構成的空心圓柱體,并對其做有關于強度、能量吸收(SEA)和壓力等方面的測驗。
目前的頭盔内襯在受到外力撞擊過程後,主要通過頭部和頭盔之間滑動運動來減少旋轉運動,隻是這種運動并不會耗散能量,如果承受超出範圍的力量打擊之後就會卡住。
VACNT 泡沫通過其獨特的變形機制避免了這一缺點。在壓縮作用下,VACNT 會經曆集體的順序漸進屈曲,從在低剪切應變水平下增加柔順性到在高應變水平下增加剛度響應。
形成的壓縮扣完全展開,使 VACNT 泡沫能夠承受較大的剪切應變,然後在負載移除後恢複到接近初始狀态。
實驗中,他們采用了幾種不同的厚度,對每個管内直徑、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,并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。
在測試這些樣本對于外部沖擊産生的形變和恢複的狀況時,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% 或更高的應力并幾乎完全恢複。
研究人員在測試的過程發現,碳納米管的管内直徑在 50 微米(μm)、管壁厚度在 10 微米(μm)以下,且碳納米管之間排列越近時,所産生的泡沫減震性能越佳,反之則越差。
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裏使用的 Zorbium(聚氨酯)泡沫材質的 30 倍。
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、頭盔制造商 Team Wendy 正在試驗頭盔内襯原型的新材料,以研究其在現實場景中的實際性能。
IT 之家附上論文參考地址:
Maheswaran, B., Chawla, K. & Thevamaran, R. Mitigating Oblique Impacts by Unraveling of Buckled Carbon Nanotubes in Helmet Liners. Exp Mech ( 2023 ) .
https://doi.org/10.1007/s11340-023-01013-1