美研究員發現螳螂蝦附肢表面的納米塗層顆粒可用於汽車保護

2020-12-05 汽車材料網

【汽車材料網】加州大學爾灣分校（University of California, Irvine）的材料科學研究員正在向螳螂蝦學習韌性。古老的甲殼類動物裝備兩個錘子般的錘狀附肢，用來擊打、粉碎獵物。這些拳頭能夠以超過50英裡/小時的速度從身體打出，經過強大的打擊之後卻並未受到損壞。

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UCI研究人員發現，螳螂蝦的「錘頭」上具有獨特設計的納米塗層顆粒，可以吸收和消耗能量。該發現發表在《自然材料》上，這對汽車、航空航天和體育行業的工程材料具有重要意義。

UCI材料科學與工程學教授David Kisailus研究螳螂蝦已有十多年了。他說：「以這樣的速度在牆壁上打幾千次而不打斷拳頭。這真是令人印象深刻，這讓我們思考如何實現。」

David·Kisailus和博士後學者Wei Huang用透射電子和原子力顯微鏡檢查了球桿表面層的納米結構和材料成分。他們確定納米顆粒是由有機（蛋白質和多糖）和無機（磷酸鈣）納米晶體相互纏繞而成的雙連續球。

3-D無機納米晶體是的，基本上像樂高積木一樣堆疊在一起，它們連接在一起的方向差很小。結晶界面對於表面層的回彈力至關重要，因為它們在高速衝擊過程中會斷裂並被打破，從而使穿透深度降低一半。

David·Kisailus說：「高解析度TEM確實幫助我們了解了這些粒子，它們的結構以及它們在不同類型的壓力下如何反應的。」「在相對較低的應變率下，顆粒幾乎可以像棉花糖一樣變形，並在應力消除後恢復原狀。」

他指出，高應變衝擊下，結構的行為有很大不同。「這些顆粒在納米晶體的界面處變硬和破裂。當破壞某些東西時，就是在打開新的表面來消耗大量的能量。」

該團隊包括普渡大學，牛津儀器和布魯克公司的研究人員，還能夠測量和描述塗層令人印象深刻的阻尼特性。Kisailus說：「相互滲透的網絡中堅硬的無機和有機材料為塗層賦予了令人印象深刻的阻尼特性，而又不影響其剛度。這是一種罕見的組合，勝過大多數金屬和工業陶瓷。」

他表明，現在專注於將這些發現轉化為各個領域的新應用：「我們可以想像出一些方法來設計類似的顆粒，以增加汽車、飛機、橄欖球頭盔和防彈衣表面的保護能力。」

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