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一种提高材料韧性的新方法

2036    2022-02-25    发布者:中国测试杂志社    来源:NIST

美国国家标准与技术研究院(NIST)和哥伦比亚工程学院的研究人员发现了一种提高材料韧性的新方法,利用该方法可以制造出更坚固的防弹衣、防弹玻璃和其他防弹设备。

该团队生产了由聚合物链掺杂的纳米级陶瓷颗粒组成的薄膜,并将它们作为微型冲击测试的目标来测试材料增强的韧性。进一步的测试揭示了典型聚合物基材料所不具备的特性,该特性使薄膜能够迅速消散撞击产生的能量。

构成当今大多数高抗冲击塑料的聚合物由重复合成分子的线性链组成,这些分子物理上相互缠绕或形成化学键,形成高度缠结的网络。相同的原理适用于大多数聚合物复合材料,它们通常通过混合一些非聚合物材料来增强或增韧。新研究中的薄膜属于这一类,但具有独特的设计。

这些薄膜由称为纳米二氧化硅的微小玻璃球制成,每个球都覆盖有称为聚甲基丙烯酸酯 (PMA) 的聚合物链。为了生产这些聚合物接枝的纳米颗粒(PGNs),Kumar的实验室在纳米颗粒的曲面上生长了PMA链,使每条链的一端固定。

在NIST,研究人员使用激光诱导弹丸撞击试验(LIPIT)对不同分子量的 PGN 复合薄膜进行了射击测试。这些高速撞击测试包括用激光将 10 微米宽(约千分之四英寸)的球形弹丸以接近每秒1公里(每小时超过 2200 英里)的速度打向目标。

他们通过相机拍摄的图像和每100 纳秒(十亿分之一秒)闪烁一次的闪光灯来确定弹丸在飞行过程中和撞击时的速度。通过这些,该团队可以计算出弹丸通过薄膜所消耗的能量,该能量与韧性直接相关。

该研究的作者发现,PGN复合薄膜通常比单独的PMA韧性更好。但有趣的是,中等分子质量产生的薄膜的韧性最好。

在纯聚合材料中,较长的链往往会产生更多的缠结。更多的缠结转化为更大的韧性,直到材料完全被捆绑。然而,LIPIT的测试表明,这些薄膜可以对抗传统的聚合物行为。最坚韧的样品的链比完全缠结的链的长度要短得多,这意味着缠结并不是导致韧性的唯一因素。

为了确定韧性的潜在来源并检验他们的假设,该团队成员使用NIST中子研究中心的设备来评估聚合物的运动。

测试结果证实,附着在纳米粒子上的中间分子链出现运动并在短短几皮秒(万亿分之一秒)内就可达到松弛状态。中间链的这些增强运动比短(无缠结)或长(高度缠结)的PMA链更容易耗散能量。这一发现支持了该团队的假设,尤其是与LIPIT测试一起进行时。

这项研究的结果表明,固定在纳米粒子曲面上的聚合物长度存在一个最佳点,可以提高材料的韧性。



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