高速實驗可以幫助確定用於太空船、飛行器、頭盔或其他物體的輕質保護性”超材料”。由支柱和橫樑組成的複雜蜂巢狀結構比相同材料的實心板更能承受超音速撞擊。此外，具體的結構也很重要，有些結構比其他結構更能抵禦衝擊。

這就是麻省理工學院工程師在微觀超材料實驗中的發現–這些材料是有意印製、組裝或以其他方式設計的，其微觀結構賦予了材料整體特殊的性能。

在最近發表在《美國國家科學院院刊》上的一項研究中，工程師們報告了一種快速測試超材料結構陣列及其對超音速撞擊的適應性的新方法。

透過以超音速發射微粒子，麻省理工學院的工程師可以測試各種超材料的彈性，這些超材料是由小到一個紅血球的結構製成的。圖為微粒子撞擊超材料結構的四段影片截圖。圖片來源：研究人員提供

在實驗中，研究團隊將印刷好的微小超材料晶格懸掛在微觀支撐結構之間，然後以超音速向材料發射更微小的粒子。然後，研究團隊利用高速攝影機以奈秒的精度捕捉每次撞擊及其後果的影像。

他們的研究發現了一些超材料結構，與完全固態、非結構化的同類材料相比，它們更能抵禦超音速撞擊。研究人員說，他們在微觀層面觀察到的結果可以推廣到類似的宏觀衝擊，從而預測新材料結構在不同長度尺度上如何抵禦現實世界中的衝擊。

研究人員列印出錯綜複雜的蜂巢狀材料，懸浮在相同材料的支撐柱之間（如圖）。這種微觀結構的高度相當於人類三根頭髮的寬度。圖片來源：研究人員提供

「我們正在學習的是，材料的微觀結構很重要，即使在高速變形的情況下也是如此，」研究報告的作者、麻省理工學院機械工程系教授卡洛斯-波特拉（Carlos Portela）說。”我們希望找出抗衝擊結構，將其製成塗層或面板，用於太空船、車輛、頭盔以及任何需要輕質和保護的物體。”

研究的其他作者包括第一作者、麻省理工學院研究生托馬斯-布特魯伊爾（Thomas Butruille）和DEVCOM陸軍研究實驗室的約書亞-克龍（Joshua Crone）。

純粹的影響

團隊的新高速實驗建立在先前工作的基礎上，工程師在實驗中測試了一種超輕碳基材料的韌性。這種材料比人的頭髮絲還細，由微小的碳支柱和碳束製成，研究團隊印製了這些碳支柱和碳束，並將其放置在玻璃載玻片上。然後，他們以超過音速的速度向材料發射微粒子。

這些超音速實驗表明，微結構材料能夠承受高速撞擊，有時能使微粒子偏轉，有時則能捕捉它們。Portela說：”但有許多問題我們無法回答，因為我們是在基底上測試材料，這可能會影響它們的行為。”

麻省理工學院的工程師們捕捉到了微粒子透過精確設計的超材料發射的視頻，其測量厚度比人的頭髮絲還細。圖片來源：研究人員提供

在他們的新研究中，研究人員開發了一種測試獨立超材料的方法，以觀察材料在沒有背襯或支撐基底的情況下，自身如何承受撞擊。

在目前的設置中，研究人員將感興趣的超材料懸掛在兩根由相同基礎材料製成的微型支柱之間。根據被測試超材料的尺寸，研究人員計算出兩根支柱必須相距多遠，才能在兩端支撐材料，同時讓材料對任何衝擊做出反應，而不受支柱本身的影響，這樣就能確保我們測量的是材料特性，而不是結構特性。

研究團隊確定了支柱支撐設計後，便開始測試各種超材料架構。對於每種結構，研究人員首先在一個小型矽晶片上列印出支撐柱，然後繼續列印超材料作為柱子之間的懸浮層，在一個晶片上列印和測試數百個這樣的結構。

穿孔和裂縫

研究團隊列印的懸浮超材料類似錯綜複雜的蜂巢狀截面。每種材料都印有特定的三維微觀結構，如重複八面體或多面體多邊形的精確支架。每個重複單元的大小與一個紅血球相當。由此產生的超材質比人的髮絲還要細。

隨後，研究人員以每秒900 公尺（每小時2000 多英里）的速度- 完全在超音速範圍內向這些結構發射玻璃微粒子，測試每種超材料的抗衝擊能力。他們用相機捕捉了每次撞擊，並逐幀研究了生成的圖像，以了解彈體是如何穿透每種材料的。接下來，他們在顯微鏡下檢查了這些材料，並比較了每次撞擊的物理後果。

波特拉說：”在建築材料中，我們看到了撞擊後小圓柱形彈坑的形狀。但在固體材料中，我們看到了許多徑向裂縫和被刨出的大塊材料”。

總之，研究團隊觀察到，發射的粒子在晶格超材料上造成了小的穿孔，而材料卻保持完好無損。與此相反，當以相同的速度將相同的粒子發射到質量相等的非晶格固體材料中時，它們會產生大裂縫，並迅速擴散，導致材料破碎。因此，微結構材料能更有效地抵禦超音速撞擊以及多重撞擊。尤其是印有重複八面體的材料似乎最堅硬。

意見和未來方向

“在相同的速度下，我們看到八面體結構更難斷裂，這意味著單位質量的超材料能夠承受的衝擊力是塊狀材料的兩倍，”波特拉說。”這告訴我們，有一些結構可以使材料變得更堅硬，從而提供更好的衝擊保護”。

展望未來，團隊計劃利用新的快速測試和分析方法來確定新的超材料設計，希望能標記出可升級為更堅固、更輕的防護裝備、服裝、塗層和鑲板的架構。

波特拉說：”最讓我興奮的是，我們可以在台式機上進行大量這些極端實驗。這將大大加快我們驗證新型高性能彈性材料的速度。”

編譯來源：ScitechDaily