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新型仿生貝殼碳化硼複合陶瓷防彈衣

本篇介紹仿生田蚌和紅鮑貝殼珍珠質的新型碳化硼/聚脲複合材料,可製作複合陶瓷防彈衣,具優異的防彈穿透性和減震性能,且爆炸損傷較小,還能製造更薄、輕、強韌的防彈插板、盾牌、車輛、或戰車鎧甲等
 
 
 

仿生田蚌(Anodonta cygnea)和紅鮑(Haliotis rufescens)貝殼珍珠質的新型碳化硼(B4C)/聚脲(polyurea)複合陶瓷防彈衣已於2016年1月正式發表,具有優異的防彈穿透性和減震性能,較相同面密度的碳化硼單片式防彈衣爆炸損傷較小、碎片和顆粒速度較低、背面偏差最小(不跳彈)。美國克萊姆森大學(Clemson University)格魯伊契奇(Mica Grujicic)教授領導的研究團隊在《AIMS Materials Science》期刊公布這款新型材料在相同爆炸負荷條件(相同射彈及射入速度),增強防彈穿透阻力的關鍵在於仿生珍珠質微結構特徵(層表面微米級粗糙度、相鄰重疊片層間的礦物橋、碳化硼的奈米結晶度、晶體的聚脲外塗層等)。未來除能製造更優異的防彈衣外,亦可製作更薄、輕、強韌的防彈插板、盾牌、車輛、或戰車鎧甲等,或將此研發結果應用於各種工業陶瓷/彈性珍珠質狀複合材料。

 

防彈衣防彈原理主要是遭受彈擊時,防彈材料發生破碎、裂紋、衝塞、和多層複合板出現分層等,以吸收射擊彈大量的衝擊能,當材料硬度超過射擊物的衝擊能時就可彈回彈頭而不貫穿,就能吸收和耗散彈頭、破片動能、阻止穿透,用來防禦武器攻擊和防護子彈或彈片對人體的傷害,有效保護人體受防護部位。複合式防彈衣結合軟、硬防彈材質性能,以陶瓷為迎彈面板、金屬為背板,防彈機制為子彈先擊中防彈鋼板、增強陶瓷板或複合板等,利用陶瓷的高硬度、高強度、高彈性來鈍化、侵蝕、碎裂彈體,傳遞衝擊載荷及增大背板吸能範圍,再以金屬背板的韌性和延展性吸收大量彈體動能,來抵抗衝擊和崩落;最後由高性能如尼龍、芳香聚醯胺類合成纖維(例如Kevlar®凱芙拉)、或超高分子聚乙烯纖維(或稱Dyneema®迪尼瑪)等軟質材料吸收和擴散子彈剩餘能量,阻止並降低所造成的貫穿性損傷。目前常用的防彈衣陶瓷材料為俗稱人造金剛石的碳化硼,莫氏硬度9.3,能抵擋大口徑步槍的射擊,比金屬輕且更硬,能使大多數子彈或穿透器變形,但缺點是陶瓷本身的脆性無法抵擋密集攻擊。

 

因此研究小組模仿的貝殼以田蚌為主、紅鮑為輔,以加強此材料強韌度,增大防彈穿透阻力。田蚌屬於雙殼綱(Bivalvia)蚌目(Unionoida)蚌科(Unionidae),又名天鵝貽貝、蜆河蚌、淡水無齒蚌,本種殼長約10-20公分,形態多變異,從不列顛群島往東到西伯利亞、往南到北非都有分布,棲息於河、湖等淡水水域;紅鮑為腹足綱(Gastropoda)原始腹足目(Archaeogastropoda)鮑螺科(Haliotidae),鮑殼可超過30公分,主要分布於美國加州至墨西哥沿岸。田蚌與紅鮑殼均具有三層結構,最外層為角質層(periostracum layer),由硬蛋白組成;中間層為棱柱層(perismatic layer),由柱狀菱方晶系方解石(calcite,CaCO3)構成;最內層為珍珠層(nacreous layer,又名珍珠質或珍珠母),剛度、韌性和延展性最高,能承受外部衝擊而不會完全喪失結構完整性,含95%斜方晶系文石(aragonite,CaCO3,又名霰石)(直徑5-8 μm,厚200-900 nm,μm=10-6m、nm=10-9m),還有5%有機質(幾丁質與絲蛋白,厚10-50 nm)及極少量水。

 

珍珠質的主要微結構和增韌機制如下:一、文石晶體以有機質橫向黏合成較大晶片,晶片間交錯定位成不規則排列,構成0.3-0.5μm厚的許多六邊形組合薄片層,平均層面尺寸(plane-dimension)與厚度比值為10-20,各層間以有機質黏結堆疊增厚。二、文石晶片層間的有機質層厚20-50nm,並不均勻平整,周邊厚度大於在片層表面中心厚度,因相鄰薄片層的接觸邊有匹配的表面輪廓,故能在受力期間實現層間互鎖滑動,共享應力和能量耗散。三、文石晶片層間的黏合除有機質外,還有礦物橋連接,每個片層表面對應幾個橋,能增加層間互鎖的強度。四、在奈米尺度,文石屬於介晶體(mesocrystal)結構,顆粒尺寸3-10 nm,周圍覆有有機質奈米纖維,可增加片層表面粗糙度,若受力變形時有利顆粒旋轉並增加材料的斷裂韌性和延展性,加上文石晶片以多邊形黏合具互鎖功能,皆能增加片層的抗斷裂滑動。五、各材料分子殼多醣、α-D-葡萄糖(C6H12O6)、碳酸鈣等所在位置會影響微結構機械性能。了解這些構造與機制有助於增加陶瓷材料的非彈性應變和有效儲存、消散能量。

 

珍珠質因含文石而有高剛度和硬度,其斷裂韌性和拉伸強度的優化則靠:一、受外力所致的彎曲內力,因文石晶片平行於殼面排列,增加受力方向的強度和韌性。二、多級微結構造成裂紋嵌套偏轉,使裂紋擴展路徑呈之字形而增加能量消耗,裂紋尖端的受力變化亦阻滯裂紋的擴展。三、礦物橋結合有機質能增加文石晶片層互鎖、滑動阻力、及抵抗剪切外力,當礦物橋斷裂會形成凹凸不平表面,阻礙繼續變形。四、有機質內的蛋白質鏈連接文石晶片層,蛋白質鏈的拉伸可提供剪切阻力,阻礙裂紋擴展,這種蛋白質的變形有助應力向周圍轉移,克服文石晶片層因應力集中導致的脆斷弱點。

 

研究團隊透過電腦模擬,以鎢重合金製成的破片模擬彈(直徑和高度為10公釐的實心圓柱體,質量密度每立方公尺19,000公斤)用每秒600公尺入射速度、90度入射角測試防彈衣的防彈插板(trauma plates,又名創傷板),比較原有相同材質面密度的單片碳化硼陶瓷與新型仿生珍珠質結構的碳化硼/聚脲層壓複合陶瓷靶板(長、寬20x20公釐的六角形陶瓷材料,拼接成每層厚2公釐,共7層組成厚14公釐,密度為每平方公分2.52公克),測試不同型態特徵包括表面輪廓、微米級粗糙度、礦物橋、及具所有結構特性者對彈道性能,特別是防彈穿透性和減輕爆炸損傷之差異。結果證明後者優於前者,新型材料的子彈碎片量和平均速度明顯較低,無表面粗糙度和礦物橋的標靶破片模擬彈殘餘/最終速度是每秒31.3公尺,具所有表面輪廓(不規則層疊和多邊形邊界互鎖)、表面粗糙度(增加片層互鎖的奈米級粗糙度)、礦物橋(增加片層連接互鎖)、聚脲晶粒間層厚度(彈性橋連接、裂紋偏轉、破裂能吸收)者可降到每秒5.91公尺,遠低於原有單片碳化硼陶瓷的每秒292.86公尺,顯示絕佳的防彈穿透性,證明新型仿生貝殼珍珠質結構的碳化硼/聚脲層壓複合陶瓷材料優於現有的碳化硼防彈插板。

(以上新聞編譯自2016年1月12日發行之AIMS Materials Science期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
延伸閱讀:
蔣持平(2015)貝殼III:貫通尺度之橋。力學與實踐,37(5): 656-658。
Li, X, W.-C. Chang, Y. J. Chao, R. Wang, and M. Chang. 2004. Nanoscale structural and mechanical characterization of a natural nanocomposite material: the shell of red abalone. Nano Letters, 4(4): 613-617.
Lopes-Lima, M., A. Rocha, F. Gonçalves, J. Andrade, and J. Machado. 2010. Microstructural characterization of inner shell layers in the freshwater bivalve Anodonta cygnea. Journal of Shellfish Research, 29(4): 969-973.
來源 來源:
Grujicic, M., S. Ramaswami, and J. Snipes. 2016. Nacre-like ceramic/polymer laminated composite for use in body-armor applications. AIMS Materials Science, 3(1): 83-113.
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