Энергопоглощающие материалы используются во многих ситуациях, как для виброизоляции (например, в спортивном оборудовании и опорах двигателя), так и для защиты от ударов (например, в шлемах или бронежилетах). Большинство существующих материалов рассеивают энергию удара через так называемые неупругие механизмы (пластическая деформация, разрушение или фрагментация), в этом случае кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию, а не сохраняется. Таким образом, материалы повреждаются после удара и не могут быть использованы повторно (или только несколько раз).

Однако существуют инженерные материалы (или метаматериалы), которые могут удерживать энергию за счет смятия — это означает, что материал использует ненапряженный режим деформации, чтобы выдержать большую нагрузку. Эта деформация является обратимой, что делает эти метаматериалы пригодными для многократного использования. Однако их способность поглощать энергию ограничена, поэтому они не очень эффективны при высоких скоростях деформации. Столкнувшись с этим наблюдением, исследователи решили увеличить эту поглощающую способность путем включения механизма диссипации материала, зависящего от скорости. Для этого они обратились к жидкокристаллическим эластомерам (ЖКЭ).

Чрезвычайная высокая способность поглощения энергии

ЖКЭ представляют собой слабосшитые жидкокристаллические полимерные сети, сочетающие в себе эластичность эластомера и способность к самоорганизации жидкокристаллической фазы. Сегодня они уже используются в робототехнике для создания искусственных мышц мягких роботов.

Исследователи создали структуры, состоящие из элементарных ячеек из наклонных сегментов ЖКЭ, симметрично расположенных между двумя жесткими горизонтальными опорами. Эти элементарные ячейки повторялись в нескольких слоях — предыдущие моделирования показали, что плотность поглощения энергии увеличивается с ростом числа стеков из-за неравномерного смятия слоев.

Новый материал, изготовленный из жидкокристаллических эластомеров, может эффективно поглощать энергию удара. Его производительность увеличивается с ростом числа содержащихся в нем слоев. Уилл Кирк/Университет Джона Хопкинса

Разработанный материал демонстрирует экстремальное поглощение энергии: испытания на сжатие показали, что ячейка на основе ЖКЭ способна поглощать больше энергии, чем стандартная структура из эластомера при скорости деформации более 1,5 x 10-3 s-1. В диапазоне эффективных скоростей деформации от 6 × 10-4 s-1 до 6 × 102 s-1 плотность поглощения энергии ячейкой увеличилась более чем на два порядка. При скорости деформации 600 s-1 плотность поглощения достигает 5 МДж/м3, что «сравнимо с рассеиванием из-за необратимой пластической деформации, создаваемой более плотными металлами«, — сообщают исследователи в журнале Advanced Materials.

Поэтому этот инновационный материал особенно подходит для изготовления защитных шлемов, пуленепробиваемых жилетов, бамперов или других автомобильных или авиационных деталей. Он не только обеспечивает защиту от широкого спектра ударов, но и, поскольку он легкий, может снизить расход топлива и воздействие транспортных средств на окружающую среду, а также быть более удобным для носителей защитного снаряжения, говорит Сунг Хун Канг, доцент кафедры машиностроения Университета Джона Хопкинса и соавтор исследования.

В ходе серии экспериментов по проверке способности нового материала противостоять ударам, он выдержал объекты весом от 1,8 до 6,8 кг, движущиеся со скоростью почти 35 км/ч! Из-за ограничений испытательных машин не удалось протестировать более высокие скорости, но команда по-прежнему уверена, что их материал может безопасно поглощать и более сильные удары.

Поглощение механической энергии элементарной ячейкой. а) Кривые сила-смещение для архитектурных многодоменных ЖКЭ при нескольких скоростях смещения. Площадь под кривой указывает на поглощение энергии. Сплошная линия указывает среднее значение; заштрихованные области указывают максимум и минимум. b) Плотность поглощения энергии ЖКЭ с полидоменной структурой по сравнению с поли(диметилсилоксаном) (PDMS).

Исследователи заметили, что производительность материала увеличивалась с ростом количества слоев. «Неравномерное смятие различных слоев приводит к дополнительной вязкоупругой диссипации. Это синергетическое взаимодействие между вязкоупругой диссипацией и неоднородным смятием приводит к тому, что плотность поглощения энергии увеличивается с ростом числа слоев«, — объясняют исследователи. Например, четырехслойная структура имела почти в два раза большую плотность поглощения энергии, чем однослойная.

Однако они обнаружили, что при наличии более трех слоев деформация становится более равномерной, что приводит к насыщению плотности поглощения. Для преодоления этой проблемы они ввели пространственную градацию толщины сегментов ЖКЭ; это обеспечило последовательное смятие различных слоев и, таким образом, улучшило плотность поглощения энергии.

Команда надеется, что ее результаты внесут вклад в фундаментальное понимание механизмов нелинейного поглощения энергии архитектурными структурами ЖКЭ, и что они будут использоваться в случаях, когда желательно легкое и экстремальное поглощение энергии. Уже запланировано сотрудничество с компанией по производству шлемов для спортсменов и военных.