台式测试可快速识别极其耐冲击的材料

错综复杂的蜂窝状支柱和横梁结构可以比相同材料的实心板更好地承受超音速冲击。更重要的是，具体的结构很重要，有些结构比其他结构更能抵御冲击。

这就是麻省理工学院的工程师在微观超材料实验中发现的——这些材料是有意打印、组装或以其他方式设计而成的，具有使整体材料具有卓越的性能。

在今天发表在 《美国国家科学院院刊》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。

在他们的实验中，研究小组将微小的印刷超材料晶格悬挂在微观支撑结构之间，然后以超音速向材料发射更微小的颗粒。然后，该团队使用高速摄像机以纳秒级精度捕获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架构，与完全坚固的非架构对应物相比，这些超材料架构对超音速冲击的弹性更强。研究人员表示，他们在微观层面上观察到的结果可以扩展到可比的宏观尺度影响，以预测跨长度尺度的新材料结构将如何承受现实世界中的冲击。

“我们学到的是，即使发生高速变形，材料的微观结构也很重要，”该研究的作者、麻省理工学院机械工程专业和亚历克斯·达贝洛夫职业发展教授卡洛斯·波特拉（Carlos Portela）说。“我们希望确定抗冲击结构，这些结构可以制成航天器、车辆、头盔以及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和麻省理工学院研究生Thomas Butruille，以及DEVCOM陆军研究实验室的Joshua Crone。

纯粹的冲击

该团队的新高速实验建立在他们之前的工作基础上，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，由微小的支柱和碳束制成，研究小组将其打印并放置在载玻片上。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冲击，有时偏转微粒，有时捕获它们。

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

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，以观察材料如何在没有背衬或支撑基材的情况下纯粹自行承受冲击。

在他们目前的设置中，研究人员将感兴趣的超材料悬挂在由相同基材制成的两个微观柱子之间。根据被测超材料的尺寸，研究人员计算出柱子必须相距多远，才能支撑两端的材料，同时允许材料对任何冲击做出反应，而不受柱子本身的任何影响。

“这样，我们就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结构。对于每种架构，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柱子之间的悬浮层。

“我们可以在单个芯片上打印和测试数百个这样的结构，”Portela说。

穿刺和裂缝

该团队打印了类似于复杂蜂窝状横截面的悬浮超材料。每种材料都打印有特定的三维微观结构，例如重复八位字节的精确脚手架或更多面多边形。每个重复单位的测量值都像红细胞一样小。由此产生的超材料比人类头发的宽度还要薄。

然后，研究人员通过向结构发射玻璃微粒来测试每种超材料的冲击弹性，速度高达每秒900米（每小时超过2,000英里），完全在超音速范围内。他们在相机上捕捉到每一次撞击，并逐帧研究生成的图像，以了解射弹如何穿透每种材料。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，”Portela说。“但是在固体材料中，我们看到了很多径向裂纹和更大的材料块被凿出。

总体而言，研究小组观察到，烧制的颗粒在晶格超材料中产生了小的穿孔，但材料仍然保持完整。相反，当相同的颗粒以相同的速度被烧成同等质量的固体非晶格材料时，它们会产生巨大的裂缝，并迅速扩散，导致材料碎裂。因此，微结构材料在抵抗超音速冲击以及防止多次冲击事件方面更有效。特别是，用重复八位字节打印的材料似乎是最耐寒的。

“在相同的速度下，我们看到八位字节结构更难断裂，这意味着每单位质量的超材料可以承受高达两倍于散装材料的冲击，”Portela说。“这告诉我们，有一些架构可以使材料更坚韧，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，以期标记可以扩展到更坚固、更轻的防护装备、服装、涂层和镶板的架构。

“我最兴奋的是证明我们可以在工作台上做很多这样的极端实验，”Portela说。“这将大大加快我们验证新的、高性能的、有弹性的材料的速度。

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资助。