有人说，人类的历史就是一部战争史。由木棒到精钢长剑再到自动步枪，人类的武器不断升级，而防护装备也是一样，由毛皮到铠甲再到防弹衣。在很长一段历史时间内，金属铠甲都可以很好的保护战士不受弓箭和刀剑的伤害，但火器的出现，使得金属铠甲逐渐失去了存在的意义，即便重达20公斤的钢制铠甲也无法抵挡步枪的近距离射击。此外，金属铠甲的沉重负担会让士兵无法灵活移动，也无法匍匐前进，由此逐渐淡出现代军队的装备清单。上世纪六七十年代，一系列高强度高能量耗散的纤维材料被制备出来，如大名鼎鼎的凯夫拉（Kevlar，聚对苯二甲酰对苯二胺）纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。它们的重量仅为钢丝的1/5左右，强度达到钢丝5倍甚至更高，并成功应用于防弹衣，不但大大减轻了重量，还因其柔性减少了对身体活动的限制。然而，凯夫拉遇到水或紫外线容易降解，保质期也只有3-5年，聚乙烯纤维不耐高温，成为二者的“软肋”。

一战中法国士兵身穿的半身铠（1918年）与现代的防弹背心。图片来源于网络

近日，麻省理工学院（MIT）的Carlos M. Portela与加州理工学院（Caltech）的Julia R. Greer等研究者在Nature Materials 杂志上发表论文，报道了一种可抵抗超音速微粒撞击的三维纳米结构碳材料。在相同的比冲击能量下，纳米尺寸效应使其比能量耗散率超过凯夫拉复合材料和纳米聚苯乙烯薄膜70%。精细的纳米尺度结构设计，让碳材料可以有效地抵挡住超音速的“子弹”袭击，为未来抗冲击材料的设计以及轻型装甲、防爆屏蔽等装置的制备开辟了一条新的道路。

超音速“子弹”射入纳米结构碳材料。图片来源：MIT[1]

为了制备这种包含层层堆叠的镂空十四面体的三维纳米结构碳材料，作者先使用双光子光刻技术将预先设计好的交联聚合物进行图案化，然后在真空烘箱中加热至900 ℃，聚合物材料热解碳化得到最终产品。热解碳材料通常是易碎的，但是十四面体的纳米结构赋予了这种材料抵抗冲击的性能。研究者制备了两种不同密度的样品，每种样品各自由13500个十四面体单元组成，每个结构单元尺寸保持为2.5 ± 0.2 μm，热解碳柱直径分别为370 ± 40 nm和530 ± 40 nm，填充分数（相对密度）分别为约14%和约23%。

样品制备及冲击实验示意图。图片来源：Nat. Mater.

为了探索材料的抗冲击性能，研究者利用激光诱导粒子冲击试验（LIPIT）对样品进行微粒撞击，即，直径为14 μm的SiO2微球通过脉冲激光加速后，以30  m /s 到~1.2  km /s的速度冲向样品，并通过高速摄像机记录碰撞过程的瞬间。SiO2微球的直径是样品结构单元尺寸的5.6倍，足以破坏样品的结构单元。

高速摄像机记录冲击过程。图片来源：Nat. Mater.

由于样品密度和SiO2微球速度不同，冲击过程表现出三种情况：（1）弹性冲击，碳材料未发生永久变形（下图c），（2）微球冲击形成弹坑后反弹（下图a,d），（3）微球冲击后陷入弹坑（下图b,e）。

冲击的三种情况。图片来源：Nat. Mater.

当三维纳米结构碳材料样品填充分数为14%时，SiO2微球速度在50 m /s以下时呈弹性冲击，材料没有明显变形；50 - 490  m /s 的冲击速度下，SiO2微球会在样品上留下弹坑并反弹（情况2）；速度超过490  m /s 则样品被完全穿透。当样品填充分数为23%时，SiO2微球速度在较低速度下同样呈弹性冲击，不过，在速度超过弹性冲击的速度时，虽然SiO2微球也会留下弹坑并反弹或者被捕获（情况3），但在测试的所有冲击速度下都没有观察到样品被完全穿透的情况。冲击能量对非弹性能量的线性拟合也表明，在探测区域内，相对密度较大的材料能量耗散性能更好。

冲击能量与非弹性能量分析。图片来源：Nat. Mater.

随后，研究者对弹坑形成过程中冲击波的能量传播进行分析。SiO2微球冲击的区域因撞击而皱缩且压实，但周围的结构却完好无损。通过类比行星撞击模型及量纲分析原理推导，证明了尺寸效应以及坍塌强度对冲击压实区域应力的影响，为进一步增强材料的能量耗散性能以及改进材料设计提供了支持。

类比陨石撞击的冲击模型分析。图片来源：Nat. Mater.

纳米结构材料的排列方式可以赋予其独特的特性，如轻量化和弹性，这是传统均质材料无法实现的。“这种几何形状往常出现在节能泡沫中。我们将其缩小到纳米级，并利用碳材料搭建这种纳米结构，这样的材料在受到撞击时能够像橡胶一样弯曲”，论文一作Carlos Portela说，“我们发现这种纳米结构材料可以吸收大量的能量，而传统材料做不到这些。”[1]这样看来，纳米结构材料或许可以成为未来更轻、更坚韧的抗冲击材料，用于高效装甲、防护涂层的设计。

Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon

Carlos M. Portela, Bryce W. Edwards, David Veysset, Yuchen Sun, Keith A. Nelson, Dennis M. Kochmann & Julia R. Greer

Nat. Mater., 2021, DOI: 10.1038/s41563-021-01033-z

参考资料：

1.Ultralight material withstands supersonic microparticle impacts

https://chemistry.mit.edu/chemistry-news/ultralight-material-withstands-supersonic-microparticle-impacts/

（本文由小希供稿）