加州理工學院3D打印納米材料防彈裝甲，性能優(yōu)于纖維材料和...

南極熊導讀：在戰(zhàn)爭中，防彈裝甲被士兵視為最為重要的裝備之一，畢竟它是保障生命的最后一道防線。從古至今，制作防護裝甲的材料也在不斷演變，冷兵器時代的人們多采用藤條、竹板等來制作護甲。隨著冶煉、鑄造技術的不斷進步，也出現(xiàn)了鎖子甲、重甲等以鋼鐵材料打造的護身裝備。直至近代，防彈衣的制作材料也逐漸擴展為鋼板、陶瓷、多層纖維材料等，所提供的防護等級也在不斷提高。除了防護性能外，也需要考慮到士兵的穿戴體驗，因此，如何創(chuàng)造出質輕、防沖擊性能優(yōu)良的材料制作防彈衣一直以來也是屬于材料科學的前沿研究。

△防護裝甲

2021年7月28日，南極熊獲悉，由麻省理工學院、加州理工學院、蘇黎世聯(lián)邦理工學院和美國陸軍研究實驗室組成的士兵納米技術研究所（ISN）已經利用納米級的3D打印技術形成了一種材料，據說這種材料在防彈方面比凱夫拉（KEVLAR，一種芳綸纖維材料產品）或鋼更有效。

這種材料比人類的一根頭發(fā)還要薄，它是由微小的碳支柱制成的，這些支柱形成了相互連接的四面體，它有14個面的結構，通過雙光子光刻技術制造完成。

據該團隊稱，這種納米架構的材料有可能取代凱夫拉，并應用到武裝部隊的各種防彈防護裝備中。

根據加州理工學院材料科學家Julia Greer的說法，這項工作可以為超輕量級的抗沖擊材料提供設計思路，用于制作國防和空間應用中理想的高效裝甲材料、防護涂層和抗爆盾牌。

△ISN已經開發(fā)出一種納米結構的材料，據說比凱夫拉或鋼更有效地阻止射彈。照片來自加州理工學院

納米級的材料結構工程

納米架構材料的結構是在納米尺度上設計的，使科學家能夠設計出幾乎任何可以想象的具有理想特性的三維形狀。雖然納米架構材料在壓縮和拉伸條件下的高強度之前已經得到了驗證，但ISN團隊試圖進一步探索這種材料如何在高速沖擊下維持結構。

ISN開發(fā)的材料由通過雙光子光刻技術排列的、由碳支柱組成的相互連接的四面體組成。自2018年以來，格里爾的團隊一直在探索雙光子光刻技術在打印納米級3D打印物體方面的能力。

四面體結構最早是由開爾文勛爵在19世紀提出的，理論上是用自身的復制體填充空間的最有效結構之一。

對光敏感的光刻膠構成了納米架構材料的基礎，在雙光子光刻過程中，根據激光器的光照射來確定其形狀。在這個過程中，緊密聚焦的激光在光刻膠內進行三維追蹤，使材料凝固，直到打印出完整的結構。然后，打印的結構通過在極高溫度下的熔爐中燃燒而熱解，將聚合物轉化為熱解碳。

兩種版本的超薄材料以不同的密度被創(chuàng)造出來，并以每秒40至1100米的速度用直徑為14微米的微粒子進行爆破（音速是每秒340米）。密集型材料被發(fā)現(xiàn)對爆炸有更強的彈性，微粒子嵌入材料中，而不是像完全密集的聚合物或相同厚度的碳片那樣被撕裂。

據觀察，緊緊圍繞著微粒子的碳支柱崩潰了，而整體結構保持完好。根據ISN團隊的說法，納米結構材料的性能比鋼鐵高出100%以上，比凱夫拉復合材料高出70%以上。

麻省理工學院機械工程系助理教授、論文的主要作者Carlos Portela說："從歷史上看，這種幾何形狀出現(xiàn)在能量緩解的泡沫中。雖然碳通常是脆性的，但納米架構材料中的支桿的排列和小尺寸產生了一種橡膠的、以彎曲為主的架構。我們證明材料可以吸收大量的能量，因為這種納米級的支桿的沖擊壓實機制與完全密集和單一的東西相比，不是納米架構的。"

△材料制造和微粒子沖擊實驗的結果。圖片來自《自然材料》

ISN的合作伙伴認為，所開發(fā)的材料有可能取代凱夫拉和鋼，用于武裝部隊中士兵使用的裝甲材料、保護性涂層和抗爆盾牌。然而，在該材料能夠用于現(xiàn)實世界的應用之前，仍需進行進一步的開發(fā)。

展望未來，研究人員將設法找到擴大該材料生產規(guī)模的方法，并探索其他納米架構材料如何在高速沖擊下保持穩(wěn)定。

關于這種納米架構材料的進一步信息可以在《Nature Materials》雜志上發(fā)表的題為"Supersonic Impact Resilience of Nanoarchitected Carbon"的論文中找到。這項研究是由C. Portela, B. Edwards, D. Veysset, Y. Sun, K. Nelson, D. Kochmann和J. Greer共同撰寫的。

相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01033-z

△在超音速下用微粒子爆破材料的沖擊過程和造成的損害。圖片來自《自然材料》

納米級3D打印

由于納米級3D打印所開辟的潛在應用范圍，科學家們越來越希望優(yōu)化該技術并開發(fā)新的工藝、材料和應用。

例如，來自代頓大學的研究人員開發(fā)了一種增強的、具有成本效益的3D打印納米級結構的技術，被稱為光-熱-機械（OTM）納米打印技術。利用低成本的激光束，該技術能夠在比人類頭發(fā)小一千倍的尺寸上進行打印。

在其他地方，來自Fraunhofer IMM的科學家們正在開發(fā)一種新型的多光子光刻工藝，以生產納米級的金屬3D打印結構，而美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員一直在研究一種新方法，以在納米級3D打印凝膠和軟材料。據NIST稱，該技術可以創(chuàng)建復雜的微觀結構，如柔性電極、生物傳感器或軟性微型機器人。