泡沫材料(美研发出超轻抗压减震泡沫，有望成为军用头盔材料)

Posted 2023-05-31

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美国威斯康星大学麦迪逊分校最新开发的一种质量超轻的减震泡沫，吸收能量的能力是美国目前军队作战头盔内衬塑料泡沫的18倍，且具有更高的强度和刚度，可以提供更好的冲击保护，并有望成为制作军用头盔的新型材料。

目前，该研究获得了美国海军和陆军研究办公室的资助。另外，军事行业合作伙伴、头盔制造商Team Wendy正在试验头盔内衬原型的新材料，以研究其在现实场景中的实际性能。

以前，凡具有层次结构的材料，都被证明拥有良好的机械性能，而碳纳米管是其中一种具有层次结构性的材料。一般的碳纳米管本身因卓越的机械性，时常被拿来研究其是否还有其它的性能没有被发现。

这次研究人员为了将这种材料运用到头盔上，希望进一步提高它在其它方面性能，因此设计了一种多种尺寸和拥有独特结构特征的新型纳米碳管材料。

这种新型材料由许多微米级的圆柱体结构组成，并垂直排列成许多碳纳米管泡沫（VACNT）。研究人员从纳米碳管开始，管子每层厚度只有一个碳原子，将其进行多层堆叠后，形成一种由碳构成的空心圆柱体，并对其做有关于强度、能量吸收（SEA）和压力等方面的测验。

实验中，他们采用了几种不同的厚度，对每个管内直径、管壁尺寸和每个碳管之间的距离进行了一系列测试，这是一项不小的任务。他们一共研究了60种不同的组合，并对每个样本进行了三项测试，进行了180次实验，共做出180个样本。

在测试这些样本对于外部冲击产生的形变和恢复的状况时，发现VACNT泡沫的抗压强度（材料永久失效时的应力）比普通的泡沫材料要高得多，能够承受80%或更高的应力并几乎完全恢复。

研究人员在测试的过程发现，碳奈米管的管内直径在50微米（μm）、管壁厚度在10微米（μm）以下，且碳奈米管之间排列越近时，所产生的泡沫减震性能越佳，反之则越差。

他们发现，这种差异来源于生产出来的碳纳米管泡沫密度，泡沫的密度越高，在面积相同的情况下，会存有更多的碳圆柱体，而这些碳圆柱体能够分散外部带来的冲击。

这项碳纳米管泡沫（VACNT）材料能量吸收力是美国军队使用高级战斗头盔衬里使用的Zorbium（聚氨酯）泡沫材质的18倍。由于碳纳米管特殊结构，使得这种新材料在极高和极低温度的情况下，都能保持稳健的减震性能，让该材料适合在极端环境使用。

另外，VACNT材料还提供卓越的热稳定性和抗压力强度，让材料在高温和一定程度的压力环境，不易产生降解或变形的问题，同时也优于许多商业聚合物、金属和其他建筑泡沫。