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奈米級3D列印熱解碳纖:防彈效能超越凱夫勒與鋼鐵

編譯:李思平

  位於麻省理工學院(MIT),由美國陸軍資助的士兵奈米科技研究所(Institute for Solider Nanotechnologies,ISN),近期宣佈了在全新防彈材料上研究的突破。透過將奈米科技導入熱解碳纖後,可以有效提高碳纖材料的抗穿透力,效能超越鋼鐵與凱夫勒。

  這種神奇的材料之所以能達到這種效能,在於使熱解碳纖具備多層次、網格狀的結構,使之在與其他材料相同的厚度上,擁有更多的層疊和空間,好比奈米層級的空間裝甲一樣。因此,當彈頭高速命中碳纖時,多層結構會逐一瓦解與壓饋,同時吸收動能並消耗彈頭,不像均質材質一樣,儘管有更強的第一層,但在破裂之後便失去了防護作用。

  據ISN計畫負責人柏吉斯博士(Dr. James Burgess)表示,這就好比機車安全帽一樣,儘管表層相當堅固並可以吸收強大衝擊,但到了臨界點時,它就會瓦解,不過,要是可將表層分成眾多較小的夾層,則抗衝擊能力將會有顯著提升。

 

奈米級3D列印的製作過程

  儘管這種熱解碳纖(Pyrolytic carbon)應用的概念簡單,但實作起來卻非常困難。根據波特拉博士(Dr. Carlos Portela)指出,這種超級材料的製作概念類似於奈米層級進行3D列印,方法是利用高度聚焦的雷射,接著用光阻性聚合物滴下,一點一滴使整個結構成型。

  在完成列印後,該材料放入真空熱處理爐中進行加溫到攝氏900度達5小時,接著以每分鐘10度的速度,緩速降溫後得出熱解碳纖結構,整體而言,體積會縮小約75%,。

 

測試方法

  為了檢視新材料的效能,科學家進行的撞擊測試也是奈米層級的。熱解碳纖的寬度是80微米、厚度30微米,接著朝它發射14微米寬之二氧化矽球,初速從逐步增加到40~1100m/s,並透過雷射脈衝成像來拍下過程。

 

資料來源:

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01033-z.epdf?sharing_token=mHGEcrAWW0btq329i1DooNRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0Nek8lQFVaANLM7txHb4B8WILIfnp8IIA86Jcqv2cCUk69eUKhX18dDEC5vkxKR6yHo8aTmxCI6Hj8i119oS6ym6ZgD7X9imFCvzAoMRPvBLdRZ2UfylhycA14cE9a3B_k%3D&fbclid=IwAR1siS3GsTpzkpDTHN77yr5p4LY6odwFB9YNn6EhjtSyNWNy2xQLxjTCW44

https://www.armytimes.com/news/your-army/2021/07/26/nanotech-built-armor-could-replace-kevlar-steel-for-soldier-protection/?fbclid=IwAR0rVOzawUNdLLN-6F7cl3Agvkh3sC404MZeAXpxbpHA_8qsktOFtFgAWOU