Ein von Ingenieuren der University of Wisconsin-Madison entwickelter leichter, ultrastoßdämpfender Schaum könnte Helme, die Menschen vor starken Schlägen schützen sollen, erheblich verbessern.
Das neue Material weist eine 18-mal höhere spezifische Energieabsorption als der Schaum auf, der derzeit in US-Militär-Kampfhelmeinsätzen verwendet wird, sowie eine viel höhere Festigkeit und Steifheit, wodurch es einen verbesserten Aufprallschutz bieten könnte.
Physische Kräfte durch einen Aufprall können ein Trauma im Gehirn verursachen und eine Gehirnerschütterung verursachen. Aber Helmmaterialien, die diese kinetische Energie besser absorbieren und ableiten, bevor sie das Gehirn erreicht, könnten dazu beitragen, Gehirnerschütterungen und andere traumatische Hirnverletzungen zu mildern oder sogar zu verhindern.
Der Industriepartner der Forscher, der Helmhersteller Team Wendy, experimentiert mit dem neuen Material in einem Helmliner-Prototyp, um seine Leistung in realen Szenarien zu untersuchen.
„Dieses neue Material birgt ein enormes Potenzial für die Energieabsorption und damit die Aufprallminderung, was wiederum die Wahrscheinlichkeit von Hirnverletzungen erheblich verringern sollte“, sagt Ramathasan Thevamaran, ein UW-Madison-Professor für technische Physik, der die Forschung leitete.
Das Team beschrieb seinen Fortschritt in a kürzlich erschienene Studie im Tagebuch Extreme Mechanik Briefe.
Das neue Material ist ein strukturierter, vertikal ausgerichteter Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Schaum. Um es herzustellen, begannen die Forscher mit Kohlenstoffnanoröhren – Kohlenstoffzylindern, die in jeder Schicht nur ein Atom dick sind – als Grundbausteine.
Kohlenstoffnanoröhren haben bereits außergewöhnliche mechanische Eigenschaften, und um ihre Leistung weiter zu verbessern, entwarfen die Forscher ein Material mit einzigartigen Strukturmerkmalen über mehrere Längenskalen. Die neuartige Architektur des Materials besteht aus zahlreichen Zylinderstrukturen im Mikrometermaßstab, die jeweils aus vielen Kohlenstoffnanoröhren bestehen.
Es war keine leichte Aufgabe, die ultimativen optimalen Designparameter des neuen Schaums zu ermitteln – wie etwa die Dicke der Zylinder, ihren Innendurchmesser und den Spalt zwischen benachbarten Zylindern. Die Forscher führten systematisch Experimente durch, bei denen sie jeden Parameter variierten und alle möglichen Kombinationen untersuchten.
„Also haben wir ein paar verschiedene Dicken genommen und das dann mit jedem Durchmesser und jedem möglichen Spalt getestet und so weiter“, sagt Thevamaran. „Insgesamt haben wir uns 60 verschiedene Kombinationen angesehen und drei Tests mit jeder Probe durchgeführt, also gingen 180 Experimente in diese Studie ein.“
Sie haben einen klaren Gewinner ermittelt. Dicht nebeneinander angeordnete Zylinder mit einer Dicke von 10 Mikrometern oder weniger ergaben einen Schaum mit besten stoßdämpfenden Eigenschaften.
„Ich hatte erwartet, dass sich die Gesamteigenschaften aufgrund unserer interaktiven Architektur verbessern würden, aber ich war überrascht, wie dramatisch die Eigenschaften verbessert wurden, wenn die Zylinder 10 Mikrometer dick waren“, sagt Thevamaran. „Es war auf einen ungewöhnlichen Größeneffekt zurückzuführen, der in den Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen auftrat. Der Effekt war sehr ausgeprägt und erwies sich als ziemlich vorteilhaft für die Eigenschaften, auf die wir abzielten.“
Darüber hinaus kann das neue Material aufgrund seiner Kohlenstoff-Nanoröhren-Bausteine sowohl bei sehr hohen als auch bei sehr niedrigen Temperaturen robust stoßdämpfend bleiben, was es für Anwendungen in einer Vielzahl von extremen Umgebungen nützlich macht.
Die Forscher, darunter Komal Chawla, UW-Madison Postdoctoral Research Associate, und die Doktoranden Abhishek Gupta und Abhijeet S. Bhardwaj, patentieren ihre Innovation über die Wisconsin Alumni Research Foundation. Die Zusammenarbeit zwischen Universität und Industrie war Teil des von UW-Madison geleiteten PANTHER-Programms, einer interdisziplinären Forschungsinitiative, die Lösungen entwickelt, um eine bessere Erkennung und Prävention von traumatischen Hirnverletzungen zu ermöglichen.
Mehr Informationen:
Komal Chawla et al, Überlegene mechanische Eigenschaften durch Ausnutzung von Größeneffekten und multiskaligen Wechselwirkungen in hierarchisch aufgebauten Schäumen, Extreme Mechanik Briefe (2022). DOI: 10.1016/j.eml.2022.101899