【大紀元2024年03月04日訊】（大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導）撞擊傷害在日常生活中時有發生。如何減少意外撞擊帶來的傷害，是科學家們一直研究的課題，並在不斷改進中。美國的羅拉多大學博爾德分校和桑迪亞國家實驗室共同開發一種新型材料，可承受更大的衝擊力，且應用範圍更廣。
傳統的保護易碎物品和人體組織免受衝擊影響的材料大多是泡沫材料。例如，在聚氨酯固體材料中引入空隙（泡沫），可以降低固體材料本身的相對密度，使其機械性能要比原本的材料要強上1000倍以上，從而提高固體材料的吸收性能，而這種祕密在於控制材料中的孔徑大小和密度。
普通的泡沫材料在機械性能遠不如一些新興材料或其它設計，因為新興材料主要改變內部的空隙結構，以增強其抗衝擊能力。例如，威斯康星大學麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）團隊曾使用最新研發出的特殊碳奈米管（VACNT），做出質量超輕的減震泡沫，其吸收能量的能力是美國軍用頭盔內襯塑料泡沫的18倍，且具有更高的強度、剛度和提供更好的衝擊保護。
這種泡沫材料因價格低廉、體積蓬鬆且內部孔隙具有均向性而廣受歡迎。然而它的性能並不最好的，因為設計者無法直接規定泡沫材料在微觀下的幾何型狀。將材料中的泡沫設計成有序的幾何形狀，是科學家的一個課題，因為幾何排列增強了設計自由度和靈活性，並能夠準確改變微結構的幾何形狀和材料成分，以形成更高性能的超材料。
這次，美國的羅拉多大學博爾德分校（University of Colorado at Boulder）和美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）利用電腦模擬出一種特殊的可以調整彈性的板晶格（PL），用於設計材料的孔隙形狀。
他們使用PL調整出不同的版本，以確認哪種設計可以吸收更多的衝擊能量。
研究小組首先使用電腦做出一款蜂窩網絡的板晶格，然後對其進行調整，以包括一些扭結。這些扭結有助於引導蜂巢在撞擊過程受壓力，使整體的塌陷更加平穩。因為，當衝擊撞上含有蜂窩狀的墊子後，衝擊力會傳導到整個蜂窩狀結構，並呈現出波浪狀塌陷，最終這些衝擊會被分散，成為吸收力量的一種有效方法。
研究人員還希望確保他們的填充物能夠承受現實世界中的碰撞和擦傷。他們使用熱塑性聚氨酯（PU）的彈性材料進行3D打印，最終打印出內部由「四邊形孔隙」重複疊加成塊狀的物體，用它來進行衝擊和擠壓測試。
測驗中，研究人員用各種數值繪製出幾種幾何形狀板晶格材料，以測試它們在壓縮時的情況。結果顯示，這些新做出來的板晶格材料樣品的吸收能力比參考泡沫增加了6倍，比其它蜂窩設計的樣品的吸收量增加了25%。
另外，他們使用具有相同衝擊質量、衝擊速度、樣本體積、樣本密度和構成材料的板晶格和參考泡沫樣本，進行相同的衝擊測試。結果顯示，板晶格樣品從吸收能量到阻止樣品完全壓扁的抗衝擊能力，比泡沫樣品高出3.5倍。
該實驗凸顯出板狀晶格材料在測試的能量範圍內，對增加的衝擊能量表現出顯著的穩定性。
另外，研究人員使用一款非均勻幾何有彎曲的板晶格材料，發現它要比之前研究的幾何板晶格材料的吸收能力要高出22%左右，且能量吸收效率要比平均高出10%左右。
研究人員得到這些有用的數據後，開始著手對板晶格材料進行1,000次的壓縮衝擊循環測試。結果顯示，該材料整體吸收衝擊能力減少25%，且材料有明顯的軟化現象。不過他們表示，承受1,000多次測試後有軟化是屬於正常現象，但依然具有出色的剛度和吸收衝擊能力，也凸顯出該材料在壓縮中的性能上，要遠超越一般的泡沫材料。
該團隊還表示，這次實驗受到列印噴嘴和可用測試體積限制，但他們未來會探索更廣泛的板晶格材料，還會研究彈性曲線、塑性流動以及脆性斷裂之間的轉變是如何影響宏觀吸收性能的。
該團隊在《先進材料技術》雜誌上描述了這項新的技術。
團隊的麥克柯迪（Robert MacCurdy）助理教授表示，這項研究重新審視了大多數人經常忽視的「泡沫」，它們在材料中充滿了無數的小孔和通道使其呈現柔軟。當你擠壓海綿時，那些空隙就會開始閉合吸收能量，但缺點是你用力擠壓材料時，材料最終會被壓縮成一團堅硬的物體。
「用於吸收衝擊力的材料很重要，但最重要的是這些材料內部的幾何形狀。」他說。◇
責任編輯：連書華
