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摘要近日,力學(xué)所與Texas A&M University合作,以碳納米管薄膜為研究對(duì)象,研究缺陷及界面對(duì)微納尺度沖擊防護(hù)性能的影響機(jī)制。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】材料中的缺陷通常認(rèn)為會(huì)降低材料的強(qiáng)度,從而降低其抗沖擊能力(塑性無顯著增加時(shí))。該規(guī)律對(duì)于不同的材料體系及不同尺度缺陷是否具有普適性?能否通過合理調(diào)控材料內(nèi)部缺陷,來有效提升材料的抗沖擊能力,從而打破這一傳統(tǒng)認(rèn)知?
 
  近日,力學(xué)所與Texas A&M University合作,以碳納米管薄膜為研究對(duì)象,研究缺陷及界面對(duì)微納尺度沖擊防護(hù)性能的影響機(jī)制。碳納米管薄膜是由無序多壁碳納米管自組裝形成的無序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料,是新一代防護(hù)裝備的重要備選材料。研究團(tuán)隊(duì)通過高能碳離子輻照碳納米管薄膜,在碳管中引入大量分布的原子尺度缺陷,雖然降低了單根碳管的強(qiáng)度,但是大幅提升了材料的沖擊防護(hù)性能,使碳納米管薄膜的沖擊比吸能達(dá)到26 MJ/kg,突破了現(xiàn)有薄膜的比吸能記錄(圖1)。相關(guān)工作以“Load sharing and accumulated bond fracture in ion-irradiated carbon mat for energy dissipation”為題發(fā)表在Science Advances上。
 
  圖1. 碳納米管薄膜的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。(A)245 nm厚的原始薄膜和離子輻照薄膜的比吸能與沖擊速度的關(guān)系。(B)和(C)原始薄膜和離子輻照(1013 ions/cm2)薄膜侵徹面(90o視角)和背面(38o視角)的SEM圖像,在約650 m/s的沖擊速度下展現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)和破壞程度。橙色虛線圓圈代表微彈丸。
 
  為揭示碳納米管薄膜的沖擊耗能機(jī)制,研究團(tuán)隊(duì)開展了強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的微彈道沖擊實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)研究了改性薄膜的侵徹動(dòng)力學(xué)行為(圖2)。結(jié)果表明,碳離子輻照在碳管上產(chǎn)生大量分布的sp2缺陷,降低了單根碳管的強(qiáng)度;同時(shí)在碳管各壁面及碳管之間形成sp3鍵,顯著增強(qiáng)了碳管各壁面及碳管之間的協(xié)同承載能力。在沖擊過程中,碳管各壁面之間的sp3鍵使多壁碳管從傳統(tǒng)的“Sword in Sheath”轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同斷裂失效模式,充分發(fā)揮了碳管各壁的承載能力;且由于碳管上sp2缺陷的引入,形成更多的斷裂路徑來耗散能量。而碳管之間的sp3鍵顯著提升了管間的界面強(qiáng)度,從而提高了碳管間的剪切能量耗散。與此同時(shí),碳管間界面的提升,也使碳管網(wǎng)絡(luò)的宏觀耗能模式從彎曲主導(dǎo)向彎曲和拉伸共同主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變,打開了更多的耗能通道;谝陨先毕菡T導(dǎo)的碳管-界面-網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用機(jī)制,使碳納米管薄膜的比吸能達(dá)到26 MJ/kg,突破了現(xiàn)有薄膜材料的比吸能極限(~12 MJ/kg)。研究工作深化了對(duì)材料缺陷的傳統(tǒng)認(rèn)知,為高性能沖擊防護(hù)材料設(shè)計(jì)提供了新的理論依據(jù)和技術(shù)方向。
 
  圖2. 薄膜變形形貌特征以及碳管內(nèi)及碳管間鍵和缺陷的形成示意圖。(A)原始多壁碳納米管薄膜侵徹后的橫截面。(B)離子輻照碳納米管薄膜上部和下部大面積區(qū)域的回彈變形。紅圈表示碳管和碳管束的斷裂。(C)從原子尺度觀察碳管內(nèi)及碳管間的sp3鍵合(紫色),以及離子輻照和機(jī)械加載引入的sp2缺陷與失效特征。
 
  力學(xué)所博士畢業(yè)生/特別研究助理、Texas A&M University博士后肖凱璐為論文第一作者,力學(xué)所吳先前研究員與Texas A&M University的Edwin L. Thomas教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目(12232020)等聯(lián)合資助。

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