【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】材料中的缺陷通常認為會降低材料的強度，從而降低其抗沖擊能力(塑性無顯著增加時)。該規(guī)律對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象，研究缺陷及界面對微納尺度沖擊防護性能的影響機制。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，是新一代防護裝備的重要備選材料。研究團隊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度，但是大幅提升了材料的沖擊防護性能，使碳納米管薄膜的沖擊比吸能達到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制，研究團隊開展了強激光驅(qū)動的微彈道沖擊實驗，系統(tǒng)研究了改性薄膜的侵徹動力學(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度；同時在碳管各壁面及碳管之間形成sp3鍵，顯著增強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度，從而提高了碳管間的剪切能量耗散。與此同時，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。基于以上缺陷誘導(dǎo)的碳管-界面-網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用機制，使碳納米管薄膜的比吸能達到26 MJ/kg，突破了現(xiàn)有薄膜材料的比吸能極限(~12 MJ/kg)。研究工作深化了對材料缺陷的傳統(tǒng)認知，為高性能沖擊防護材料設(shè)計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)基金委重點項目(12232020)等聯(lián)合資助。