新型碳纳米管泡沫有望提供卓越的脑震荡保护

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善旨在保护人们免受强烈打击的头盔。

这种新材料的比能量吸收比目前用于美军战斗头盔衬里的泡沫高18倍。它具有更大的强度和刚度，这可以使其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，头盔材料在到达大脑之前更好地吸收和消散这种动能，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Team Wendy正在头盔衬里原型中试验这种新材料，以研究其在现实世界中的性能。

“这种新材料具有巨大的能量吸收潜力，从而减轻影响，这反过来又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Ramathasan Thevamaran说。

该团队在最近在线发表在《极限力学快报》杂志上的一篇论文中详细介绍了其进展。

新材料是一种建筑，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。

发现新泡沫的最终最佳设计参数 - 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，然后用每个直径尺寸和每个可能的间隙进行测试，等等，”Thevamaran说。“我们总共研究了60种不同的组合，并对每个样本进行了三次测试，因此进行了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，产生具有最佳减震性能的泡沫。

Thevamaran说：“由于我们的交互式架构，我预计整体性能会得到改善，但是当圆柱体厚度为10微米时，我惊讶于性能的显着增强。“这是由于在过程-结构-属性关系中出现的不寻常的大小效应。效果非常明显，事实证明，这对我们瞄准的房产非常有利。

此外，由于其碳纳米管构建块，新材料可以在非常高和非常低的温度下保持强大的减震性，使其可用于各种极端环境中的应用。

研究人员，包括威斯康星大学麦迪逊分校博士后研究助理Komal Chawla以及研究生Abhishek Gupta和Abhijeet S. Bhardwaj，正在通过威斯康星州校友研究基金会申请创新专利。大学与产业界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，正在开发解决方案，以便更好地检测和预防创伤性脑损伤。

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