双模和跨尺度能量耗散在致密碳纳米管薄膜中的应用——用于极端动态防护

《Science China-Materials》：Dual-mode and cross-scale energy dissipation in densified carbon nanotube films for extreme dynamic protection

　　

摘要

先进防护材料的发展受到低密度、高比强度和高效能量吸收之间固有权衡的阻碍，尤其是在极端动态载荷条件下。在这里，我们提出碳纳米管（CNT）组装体的质量密度是控制其动态能量耗散路径的主要因素。通过火花等离子烧结（SPS）技术，我们实现了CNT薄膜密度的精确和连续调节，范围从1.43 g cm^?3到1.70 g cm^?3。我们证明，密度不仅显著提升了薄膜的固有性能（电导率达到了8.09 × 10⁴ S m^?1，比原始CNT薄膜提高了97.8%；硬度从原始CNT薄膜的0.26 GPa提高到了SPS-CNT薄膜的2.91 GPa，提高了1019%），更重要的是，它决定了薄膜的冲击响应模式。在最佳密度范围内，薄膜表现出独特的分模耗散机制：在低至中等速度（?200 m s^?1）下，层间摩擦和CNT屈曲的协同作用使得比能量吸收（E_p）高达1.4–1.8 MJ kg^?1；在更高速度（>250 m s^?1）下，密度调节能量传递和耗散之间的平衡，从而实现了从反弹到穿透的可调转变。这种由密度控制的性能调节使得SPS-CNT薄膜在轻质高强度和高效能量吸收的设计领域超越了传统金属、聚合物和其他碳基材料。我们的工作建立了一种“按设计定制材料”的范式，其中一个加工参数（密度）就能够编程碳纳米结构的动态行为，为航空航天和国防应用中的自适应防护系统铺平了道路。

先进防护材料的发展受到低密度、高比强度和高效能量吸收之间固有权衡的阻碍，尤其是在极端动态载荷条件下。在这里，我们提出碳纳米管（CNT）组装体的质量密度是控制其动态能量耗散路径的主要因素。通过火花等离子烧结（SPS）技术，我们实现了CNT薄膜密度的精确和连续调节，范围从1.43 g cm^?3到1.70 g cm^?3。我们证明，密度不仅显著提升了薄膜的固有性能（电导率达到了8.09 × 10⁴ S m^?1，比原始CNT薄膜提高了97.8%；硬度从原始CNT薄膜的0.26 GPa提高到了SPS-CNT薄膜的2.91 GPa，提高了1019%），更重要的是，它决定了薄膜的冲击响应模式。在最佳密度范围内，薄膜表现出独特的分模耗散机制：在低至中等速度（?200 m s^?1）下，层间摩擦和CNT屈曲的协同作用使得比能量吸收（E_p）高达1.4–1.8 MJ kg^?1；在更高速度（>250 m s^?1）下，密度调节能量传递和耗散之间的平衡，从而实现了从反弹到穿透的可调转变。这种由密度控制的性能调节使得SPS-CNT薄膜在轻质高强度和高效能量吸收的设计领域超越了传统金属、聚合物和其他碳基材料。我们的工作建立了一种“按设计定制材料”的范式，其中一个加工参数（密度）就能够编程碳纳米结构的动态行为，为航空航天和国防应用中的自适应防护系统铺平了道路。