新型碳纳米管泡沫有望提供出色的脑震荡保护

由威斯康星大学麦迪逊分校的工程师开发的一种轻质超减震泡沫可以极大地改进旨在保护人们免受强烈打击的头盔。

这种新材料的能量吸收率是目前美国军用作战头盔内衬中使用的泡沫塑料的18倍，并且具有更高的强度和刚度，可以提供更好的冲击保护。

撞击产生的物理力量会对大脑造成创伤，导致脑震荡。但是，能够在动能到达大脑之前更好地吸收和消散这种动能的头盔材料可以帮助减轻甚至预防脑震荡和其他创伤性脑损伤。

研究人员的行业合作伙伴、头盔制造商TeamWendy正在试验头盔内衬原型中的新材料，以研究其在现实场景中的性能。

“这种新材料具有巨大的能量吸收潜力，因此可以减轻影响，这反过来会显着降低脑损伤的可能性，”领导这项研究的威斯康星大学麦迪逊分校工程物理学教授RamathasanThevamaran说。

该团队在最近发表在《极限力学快报》杂志上的一项研究中详细介绍了其进展。

这种新材料是一种结构化的、垂直排列的碳纳米管泡沫。为了创造它，研究人员从碳纳米管开始——每层只有一个原子厚的碳圆柱体——作为基本的构建块。

碳纳米管已经具有卓越的机械性能，为了进一步提高其性能，研究人员设计了一种在多个长度尺度上具有独特结构特征的材料。该材料的新颖结构由许多微米级的圆柱体结构组成，每个圆柱体结构由许多碳纳米管制成。

发现新泡沫的最终优化设计参数——例如圆柱体的厚度、内径和相邻圆柱体之间的间隙——并非易事。研究人员系统地进行了实验，他们改变了每个参数并研究了所有可能的组合。

“所以我们采用了几种不同的厚度，然后对每个直径尺寸和每个可能的间隙进行了测试，等等，”Thevamaran说。“总而言之，我们研究了60种不同的组合，并对每个样本进行了三项测试，因此这项研究进行了180次实验。”

他们发现了一个明显的赢家。厚度为10微米或更小的圆柱体彼此靠近排列，产生的泡沫具有最佳的减震性能。

“由于我们的交互式架构，我预计整体性能会得到改善，但令我惊讶的是，当圆柱体厚度为10微米时，性能得到了如此显着的增强，”Thevamaran说。“这是由于过程-结构-特性关系中出现了一种不寻常的尺寸效应。这种效应非常明显，结果证明它对我们所针对的特性非常有利。”

此外，由于采用碳纳米管结构单元，这种新材料在极高和极低温度下都能保持稳健的减震性能，使其适用于广泛的极端环境应用。

包括威斯康星大学麦迪逊分校博士后研究员KomalChawla和研究生AbhishekGupta和AbhijeetS.Bhardwaj在内的研究人员正在通过威斯康星校友研究基金会为其创新申请专利。大学与企业的合作是威斯康星大学麦迪逊分校领导的PANTHER计划的一部分，该计划是一项跨学科研究计划，旨在开发解决方案以更好地检测和预防创伤性脑损伤。