【儀表網 研發快訊】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？能否通過合理調控材料內部缺陷，來有效提升材料的抗沖擊能力，從而打破這一傳統認知？
近日，力學所與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絡結構材料，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，突破了現有薄膜的比吸能記錄(圖1)。相關工作以“Load sharing and accumulated bond fracture in ion-irradiated carbon mat for energy dissipation”為題發表在Science Advances上。
圖1. 碳納米管薄膜的動態力學性能。(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的沖擊速度下展現出不同的破壞形態和破壞程度。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動的微彈道沖擊實驗，系統研究了改性薄膜的侵徹動力學行為(圖2)。結果表明，碳離子輻照在碳管上產生大量分布的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的“Sword in Sheath”轉變為協同斷裂失效模式，充分發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，也使碳管網絡的宏觀耗能模式從彎曲主導向彎曲和拉伸共同主導的轉變，打開了更多的耗能通道。基于以上缺陷誘導的碳管-界面-網絡的協同作用機制，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認知，為高性能沖擊防護材料設計提供了新的理論依據和技術方向。
圖2. 薄膜變形形貌特征以及碳管內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。
力學所博士畢業生/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基金委重點項目(12232020)等聯合資助。
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