【大纪元2024年03月04日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）撞击伤害在日常生活中时有发生。如何减少意外撞击带来的伤害，是科学家们一直研究的课题，并在不断改进中。美国的罗拉多大学博尔德分校和桑迪亚国家实验室共同开发一种新型材料，可承受更大的冲击力，且应用范围更广。
传统的保护易碎物品和人体组织免受冲击影响的材料大多是泡沫材料。例如，在聚氨酯固体材料中引入空隙（泡沫），可以降低固体材料本身的相对密度，使其机械性能要比原本的材料要强上1000倍以上，从而提高固体材料的吸收性能，而这种秘密在于控制材料中的孔径大小和密度。
普通的泡沫材料在机械性能远不如一些新兴材料或其它设计，因为新兴材料主要改变内部的空隙结构，以增强其抗冲击能力。例如，威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）团队曾使用最新研发出的特殊碳奈米管（VACNT），做出质量超轻的减震泡沫，其吸收能量的能力是美国军用头盔内衬塑料泡沫的18倍，且具有更高的强度、刚度和提供更好的冲击保护。
这种泡沫材料因价格低廉、体积蓬松且内部孔隙具有均向性而广受欢迎。然而它的性能并不最好的，因为设计者无法直接规定泡沫材料在微观下的几何型状。将材料中的泡沫设计成有序的几何形状，是科学家的一个课题，因为几何排列增强了设计自由度和灵活性，并能够准确改变微结构的几何形状和材料成分，以形成更高性能的超材料。
这次，美国的罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado at Boulder）和美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）利用电脑模拟出一种特殊的可以调整弹性的板晶格（PL），用于设计材料的孔隙形状。
他们使用PL调整出不同的版本，以确认哪种设计可以吸收更多的冲击能量。
研究小组首先使用电脑做出一款蜂窝网络的板晶格，然后对其进行调整，以包括一些扭结。这些扭结有助于引导蜂巢在撞击过程受压力，使整体的塌陷更加平稳。因为，当冲击撞上含有蜂窝状的垫子后，冲击力会传导到整个蜂窝状结构，并呈现出波浪状塌陷，最终这些冲击会被分散，成为吸收力量的一种有效方法。
研究人员还希望确保他们的填充物能够承受现实世界中的碰撞和擦伤。他们使用热塑性聚氨酯（PU）的弹性材料进行3D打印，最终打印出内部由“四边形孔隙”重复叠加成块状的物体，用它来进行冲击和挤压测试。
测验中，研究人员用各种数值绘制出几种几何形状板晶格材料，以测试它们在压缩时的情况。结果显示，这些新做出来的板晶格材料样品的吸收能力比参考泡沫增加了6倍，比其它蜂窝设计的样品的吸收量增加了25%。
另外，他们使用具有相同冲击质量、冲击速度、样本体积、样本密度和构成材料的板晶格和参考泡沫样本，进行相同的冲击测试。结果显示，板晶格样品从吸收能量到阻止样品完全压扁的抗冲击能力，比泡沫样品高出3.5倍。
该实验凸显出板状晶格材料在测试的能量范围内，对增加的冲击能量表现出显着的稳定性。
另外，研究人员使用一款非均匀几何有弯曲的板晶格材料，发现它要比之前研究的几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。
研究人员得到这些有用的数据后，开始着手对板晶格材料进行1,000次的压缩冲击循环测试。结果显示，该材料整体吸收冲击能力减少25%，且材料有明显的软化现象。不过他们表示，承受1,000多次测试后有软化是属于正常现象，但依然具有出色的刚度和吸收冲击能力，也凸显出该材料在压缩中的性能上，要远超越一般的泡沫材料。
该团队还表示，这次实验受到列印喷嘴和可用测试体积限制，但他们未来会探索更广泛的板晶格材料，还会研究弹性曲线、塑性流动以及脆性断裂之间的转变是如何影响宏观吸收性能的。
该团队在《先进材料技术》杂志上描述了这项新的技术。
团队的麦克柯迪（Robert MacCurdy）助理教授表示，这项研究重新审视了大多数人经常忽视的“泡沫”，它们在材料中充满了无数的小孔和通道使其呈现柔软。当你挤压海绵时，那些空隙就会开始闭合吸收能量，但缺点是你用力挤压材料时，材料最终会被压缩成一团坚硬的物体。
“用于吸收冲击力的材料很重要，但最重要的是这些材料内部的几何形状。”他说。◇
责任编辑：连书华
