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“反牛顿”的高科技版“软猬甲”面世文章榜首作者为华人科学家
发布时间:2022-02-22 08:56:29 来源:乐动体育网址


  的你或许知道,黄蓉身上有一件桃花岛的“镇岛之宝”,穿在身上不只刀枪不入,更能以刺伤人,欧阳克轻触便觉得双手刺痛,而郭靖紧抱时却安然无恙,这便是出现在许多武侠小说中的

  软猬甲的原型是三国时期的一种用油浸渍的藤甲,后因参加金属丝而变得愈加巩固,然后在战役中到达防护的作用。

  与软猬甲特色相似、但出现更早的盔甲是链甲,它是由一个个铁环环环相扣而成,具有密度高、耐砍、耐劈、柔韧等特色,其时广泛地存在于古代各文明国度的戎行中。

  来自加州理工大学、南洋理工大学的科学家们就规划了一种现代“软猬甲”,即一种由 3D 打印的聚合物元素(而非织物)联锁而成的面料(相似链甲)。这种面料能在柔柔和坚固的形状间逐步切换:因为互锁颗粒而具有高抗拉强度,仅在小的外部压力下(93 kPa,大约为 0.93 kg)就会变得比松懈状况下强硬 25 倍;而处于天然状况时,这种面料易弯折,能披挂在杂乱物体外表。而且,根据这种面料得到的结构,最大载分量可达本身分量的 30 倍以上。

  在一起宣布在Nature上的谈论文章中,资料力学科学家 Laurent Orgéas 点评道,这种资料有望用于制作面向生物医学、运动或军事运用的外骨骼,或是建立临时性避难所等。

  一般面料和织物的特性一般由原料的天然特性和织造结构一起决议,而智能面料是指具有适应性的原料,比方可根据外在影响发生改动的原料。此次研讨中的链甲的奇特之处在于:当它穿在身上时,柔韧且能够紧贴皮肤;而当它遭到外力的作用时,却能够坚固无比。这不得不让咱们联想到“口香糖开椰子”的神操作。把嚼过的口香糖捏成圆锥状立在桌子上,当椰子从高处砸下后,本以为会被压扁的口香糖却毫无改动,反而椰子壳被开了一个洞。

  事实上,这种违背知识的工作在日子中却层出不穷。比方煮饭时经常用到的淀粉,当你将淀粉溶液放在手上时,它会像一切流体相同从指缝中流走,而用力抓住它时,又会变得十分坚固。在淀粉溶液做成的泳池中,人们乃至能够扮演“轻功水上漂”。这便是“吃软不吃硬”的非牛顿流体,又称为剪切增稠流体。望文生义,非牛顿流体在受力较缓慢的情况下,发生的阻力较小;在受力较大时,就会发生较大的阻力。这便对错牛顿流体出现的流体塑性和固体刚性行为,而此次研讨中的链甲也具有相同的性质。

  因为具有特定功能资料需求的日益增长,调整和细化资料的化学和纳米结构现已无法满足需求,因而“结构化”资料应运而生。此次研讨中的“链甲”是一种由两层互锁颗粒组成的结构化织物。据论文描绘,这种织物资料在围压下会阅历一个相变(阻塞改动),然后改动其机械功能,由柔软的纺织品变成坚固的外壳。事实上,这种“链甲”的高强度来源于其在负载下表现出的一种阻塞改动,将它们从软力学变为硬力学。研讨人员从头审视了“链甲”的机制,要点研讨了阻塞过渡。研讨成果表明,运用围压作为驱动力,能够从根本上改动这种织物的拉伸和曲折功能,而且这种改动是可逆的。当研讨人员将这种资料放入一个柔软的密封塑料袋中并抽出空气时,发生的围压足够大,足以触发织物的阻塞改动。

  为了了解导致曲折刚度添加(链甲在受力下变硬)的根本机制,研讨人员运用数值模仿研讨了颗粒之间的微观结构相互作用和位移。经过构建空心八面体粒子的“数字孪生体”来模仿织物,然后对其进行仿制和从头排列。

  作为比照,研讨中采用了由相同空心八面体组成的没有拓扑互锁结构的的组件进行相同的虚拟实验。成果表明,互锁织物在相同的围压下表现出更高的曲折模量(大约高 3 倍)。这可归因于拓扑互锁结构引起的颗粒之间的拉伸阻力,这种阻力在松懈的颗粒聚集体中是不存在的。

  为了探究颗粒几许形状和阻塞结构的机械功能之间的联系,研讨人员规划了别的五种三维颗粒几许形状,并结构了相应的互锁织物,并使用验证过的最小二乘离散元模型研讨这些织物在三点曲折实验下的力学呼应。成果表明,在某一起始值 Z0(Z0 界说为粒状结构结构刚性所需的临界触摸数)之后,表观曲折模量跟着均匀触摸数单调添加。作为比较,研讨人员还模仿了由互锁的环形和方形颗粒组成的经典链甲层的两层堆叠,来自这些经典的链甲层的成果也遵从从前观察到的幂律缩放。

  据论文描绘,这种结构织物具有很好的构成可重构性,就像纸相同能够曲折折叠,或许固定成需求的形状,比方像桥相同的拱形。在固定成某种形状后,织物仍具有承重才能。研讨人员将织物放置成平板形和拱形而且施压,成果表明,由此发生的结构具有机械刚性,能够接受超越本身分量 30 倍的载荷。

  这种成形才能关于可穿戴运用和可重构结构特别重要,或将预示穿戴式可重构结构的光亮远景。

  事实上,3D 打印作为一种老练的加工方法,可使得这种“链甲”织物运用得更为广泛,让“软猬甲”真实地出现在现代社会中。除了有望用于制作“面向生物医学、运动或军事运用的外骨骼”,还能够建立临时性避难所,以及用于防弹衣等防护性运用等。未来,假如这种织物构成大面积遍及,到时人人都具有一件“软猬甲”,咱们就能够在日常日子中免受许多意外损伤,比方事故等。莫非,这样的“软猬甲”你不想来一件吗?


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