工程的坚不可摧：麻省理工学院的微观超材料抵抗超音速冲击

　　具有特定微观结构的超材料在抵抗超音速冲击方面优于固体材料，提供了潜在的先进保护解决方案。(艺术家的概念。)来源:SciTechDaily.com

　　高速实验可以帮助识别轻量级的、保护性的“我”用于航天器、车辆、头盔或其他物体的材料。

　　一个复杂的、蜂窝状的支柱和横梁结构可以比同样材料的固体板更好地承受超音速撞击。更重要的是，特定的结构很重要，有些结构比其他结构更能适应冲击。

　　这就是麻省理工学院的工程师们在微观超材料的实验中发现的——这种材料被有意地打印、组装或以其他方式设计成具有微观结构的材料，从而赋予整个材料特殊的性能。

　　在最近发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一项研究中，工程师们报告了一种快速测试一系列超材料结构及其对超音速冲击的弹性的新方法。

　　通过以超音速发射微粒，麻省理工学院的工程师们可以测试各种由红细胞大小的结构制成的超材料的弹性。图中是四幅微粒子撞击超材料结构的视频剧照。图片来源:研究人员提供

　　在他们的实验中，研究小组将微小的印刷超材料晶格悬浮在微观支撑结构之间，然后以超音速向材料发射更小的粒子。利用高速摄像机，研究小组以纳秒级的精度捕捉到了每次撞击及其后果的图像。

　　他们的工作已经确定了一些超材料结构，与完全固体的非结构的对应物相比，它们对超音速撞击的弹性更强。研究人员说，他们在微观层面观察到的结果可以扩展到可比的宏观尺度的影响，以预测跨长度尺度的新材料结构如何在现实世界中承受冲击。

　　研究人员打印复杂的蜂窝状材料，悬浮在相同材料的支柱之间(如图)。这种显微结构的高度相当于三根头发的宽度。图片来源:研究人员提供

　　“我们正在了解的是，即使在高变形率下，材料的微观结构也很重要，”研究报告的作者、麻省理工学院机械工程专业的英国和亚历克斯·达贝洛夫职业发展教授卡洛斯·波特拉说。“我们想要确定抗冲击结构，这种结构可以制成航天器、车辆、头盔和任何需要轻质和保护的东西的涂层或面板。”

　　该研究的其他作者包括第一作者、麻省理工学院研究生托马斯·布特鲁维尔和DEVCOM陆军研究实验室的约书亚·克罗恩。

　　纯粹的影响

　　该团队的新高速实验建立在他们之前的工作基础上，在之前的工作中，工程师们测试了一种超轻碳基材料的弹性。这种材料比人类头发的宽度还薄，由微小的碳柱和碳梁制成，该团队将其打印并放置在玻片上。然后他们以超过音速的速度向材料发射微粒。

　　这些超音速实验表明，微结构材料经受住了高速撞击，有时使微粒偏转，有时捕获它们。

　　“但是有很多问题我们无法回答，因为我们是在衬底上测试材料，这可能会影响它们的行为，”Portela说。

　　麻省理工学院的工程师们捕捉到了一段视频，视频中一个微粒被发射穿过一种结构精确的超材料，这种材料比人类头发的宽度还薄。图片来源:研究人员提供

　　在他们的新研究中，研究人员开发了一种测试独立超材料的方法，观察材料如何在没有衬底或支撑衬底的情况下，完全依靠自身承受冲击。

　　在他们目前的装置中，研究人员将一种感兴趣的超材料悬浮在两根由相同基础材料制成的微观支柱之间。根据被测试的超材料的尺寸，研究人员计算出柱子之间的距离，以便在两端支撑材料，同时允许材料对任何撞击做出反应，而不受柱子本身的任何影响。

　　“通过这种方式，我们可以确保我们测量的是材料特性，而不是结构特性，”Portela说。

　　一旦团队确定了支柱支撑设计，他们就开始测试各种超材料架构。对于每种结构，研究人员首先在一个小硅芯片上打印支撑柱，然后继续打印超材料作为支柱之间的悬浮层。

　　“我们可以在一个芯片上打印和测试数百个这样的结构，”Portela说。

　　刺穿和裂缝

　　该团队打印了悬浮的超材料，类似于复杂的蜂窝状横截面。每种材料都印有特定的三维微观结构，例如重复八边形的精确支架，或多面多边形。每一个重复的单位都像红细胞一样小。由此产生的超材料比人类头发的宽度还细。

　　然后，研究人员通过以高达每秒900米(超过每小时2000英里)的速度向结构发射玻璃微粒来测试每种超材料的冲击弹性，这完全在超音速范围内。他们用相机捕捉了每一次撞击，并逐帧研究了产生的图像，以了解抛射物是如何穿透每种物质的。接下来，他们在显微镜下检查了这些材料，并比较了每次撞击的物理后果。

　　“在建筑材料中，我们看到了撞击后小圆柱形陨石坑的形态，”波特拉说。“但在固体材料中，我们看到了很多径向裂缝和更大块的材料被挖出。”

　　总的来说，研究小组观察到，燃烧的颗粒在晶格超材料中产生了小的穿孔，但材料仍然完好无损。相反，当同样的粒子以同样的速度进入同样质量的固体、非晶格材料时，它们会产生巨大的裂缝，这些裂缝会迅速扩散，导致材料崩溃。因此，微结构材料在抵抗超音速冲击和多重冲击事件方面更有效。特别是，印有重复八隅体的材料似乎是最耐寒的。

　　观察结果及未来方向

　　Portela说:“在相同的速度下，我们发现八元体结构更难断裂，这意味着单位质量的超材料可以承受两倍于大块材料的冲击。”“这告诉我们，有一些结构可以使材料更坚固，从而提供更好的冲击保护。”

　　展望未来，该团队计划使用新的快速测试和分析方法来识别新的超材料设计，希望标记架构可以扩展到更强、更轻的防护装备、服装、涂层和镶板。

　　波特拉说:“我最兴奋的是，我们可以在工作台上做很多这样的极端实验。”“这将大大加快我们验证新型高性能弹性材料的速度。”

　　参考文献:Thomas Butruille, Joshua C. Crone和Carlos M. Portela在2024年2月2日发表的“3D建筑材料中的解耦粒子-冲击耗散机制”，《美国国家科学院院刊》。DOI: 10.1073 / pnas.2313962121

　　这项工作部分由DEVCOM ARL陆军研究办公室通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所(ISN)资助，部分由ISN和麻省理工学院共同完成。nano的设施。