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麻省理工学院开发3D打印仿海螺壳材料可用于人体防护装甲

2017-06-28 北方科技信息研究所 分享

近日,麻省理工学院的研究人员采用3D打印技术成功制造出仿海螺壳的工程材料,并且进行了有效测试。海螺壳的内部结构非常独特,包含三个不同层次,导致微裂纹难以扩散,因此使其具有超强的耐用性和抗断裂性,它的韧性甚至能够达到珍珠层的10倍。研究人员表示,这种材料具有类似Z字形的矩阵,裂缝传播困难。然而采用传统方法很难仿制这种材料。

过去防护材料的测试大多是静态测试,但实际上很多军事应用都涉及高冲击载荷,这就需要对高过载产生的影响随时间推移的变化进行详细测试。研究人员在落塔中进行了测试,可在第一时间准确观察到裂纹的出现、传播或者其他变化情况。使用天然海螺壳进行测试可能会导致不可预测的变化,使分析变得复杂。因此,研究小组利用3D打印技术制造出能够精确控制其内部结构的复合材料,并用于测试阶段。借助于3D打印的样件,研究人员可以使用与计算机模拟完全相同的几何结构,二者具有良好的一致性。

为测试这种材料内部3种层次结构的相对重要性,研究团队尝试对具有不同层次结构的材料进行调整。在材料的较高层级结构引入更小长度尺寸特征,这与实际的海螺壳类似。经验证,较低层次结构的材料性能比较高层次结构的材料性能差,其中包括天然海螺壳所固有的交叉层状特征。

经验证,这种具有海螺形状和十字交叉特征几何结构的材料,其防裂纹扩展性能是最强基材的1.85倍,是传统纤维复合材料的1.7倍。这一特性使得这种材料非常适合用于制备抗冲击防护头盔或人体装甲,并且3D打印技术的引入能够更好的满足用户的个性化需求。

这项研究得到了美国海军研究局、国防科学与工程研究生奖学金、国防大学研究仪表测量设备设施计划(DURIP)、军人纳米技术研究所(ISN),以及加拿大自然科学与工程研究理事会的支持。相关研究成果已经在《Advanced Materials》刊登。

 
 
 
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