12 月 27 日消息，研究人员近日开发出由碳纳米管制成的新型轻质减震泡沫，将其作为头盔衬垫时，吸收冲击的能力是美国目前军队作战头盔内衬塑料泡沫的 30 倍。

在运动员和退伍军人中，创伤性脑损伤 （TBI） 是永久性残疾和死亡的主要原因之一。损伤统计数据显示，大多数脑震荡（脑震荡是一种亚型）都与斜向冲击有关，斜向冲击使大脑受到线性和旋转动能力的组合，并导致脆弱的脑组织剪切。

威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员深入研究 TBI，研发了垂直排列的碳纳米管（VACNT）减震泡沫。

这种新型材料由许多微米级的圆柱体结构组成，并垂直排列成许多碳纳米管泡沫（VACNT）。研究人员从纳米碳管开始，管子每层厚度只有一个碳原子，将其进行多层堆叠后，形成一种由碳构成的空心圆柱体，并对其做有关于强度、能量吸收（SEA）和压力等方面的测验。

目前的头盔内衬在受到外力撞击过程后，主要通过头部和头盔之间滑动运动来减少旋转运动，只是这种运动并不会耗散能量，如果承受超出范围的力量打击之后就会卡住。

VACNT 泡沫通过其独特的变形机制避免了这一缺点。在压缩作用下，VACNT 会经历集体的顺序渐进屈曲，从在低剪切应变水平下增加柔顺性到在高应变水平下增加刚度响应。

形成的压缩扣完全展开，使 VACNT 泡沫能够承受较大的剪切应变，然后在负载移除后恢复到接近初始状态。

实验中，他们采用了几种不同的厚度，对每个管内直径、管壁尺寸和每个碳管之间的距离进行了一系列测试，这是一项不小的任务。他们一共研究了 60 种不同的组合，并对每个样本进行了三项测试，进行了 180 次实验，共做出 180 个样本。

在测试这些样本对于外部冲击产生的形变和恢复的状况时，发现 VACNT 泡沫的抗压强度（材料永久失效时的应力）比普通的泡沫材料要高得多，能够承受 80% 或更高的应力并几乎完全恢复。

研究人员在测试的过程发现，碳纳米管的管内直径在 50 微米（μm）、管壁厚度在 10 微米（μm）以下，且碳纳米管之间排列越近时，所产生的泡沫减震性能越佳，反之则越差。

这项碳纳米管泡沫（VACNT）材料能量吸收力是美国军队使用高级战斗头盔衬里使用的 Zorbium（聚氨酯）泡沫材质的 30 倍。

目前，该研究获得了美国海军和陆军研究办公室的资助。另外，军事行业合作伙伴、头盔制造商 Team Wendy 正在试验头盔内衬原型的新材料，以研究其在现实场景中的实际性能。

附上论文参考地址：

• Maheswaran, B., Chawla, K. & Thevamaran, R. Mitigating Oblique Impacts by Unraveling of Buckled Carbon Nanotubes in Helmet Liners. Exp Mech (2023).
  https://doi.org/10.1007/s11340-023-01013-1