美海軍研究實驗室在納米陶瓷研究領域取得新進展

原標題：美海軍研究實驗室在納米陶瓷研究領域取得新進展

據美國海軍網站報道，美海軍研究實驗室（NRL）在納米晶陶瓷領域的研究取得了新進展，不僅將晶粒尺寸進一步降至極限，還發現了納米晶陶瓷一些不爲人知的特性，這些研究發現或將推動更高性能陶瓷防護材料的問世。

幾年前，NRL就較早地認識到，如果將陶瓷的晶粒尺寸降低至數十納米的水平，陶瓷的硬度和強度都會得到提高，這就是後來人們所熟知的霍爾佩奇效應。現在，NRL的研究人員進一步發現，當晶粒尺寸爲18.4納米時，可以得到最高的硬度。研究人員在《ACS納米》雜誌上發表了這一研究成果。文章稱，他們對晶粒尺寸在3.6~37.5納米之間的全緻密納米晶陶瓷進行了研究，發現18.4納米時的硬度最高，而隨後晶粒尺寸在向5納米的下降過程中，將出現負面（或逆轉）的霍爾佩奇效應，使得材料硬度減弱。若再往後降低晶粒尺寸，硬度則趨於平穩。應變率研究表明，霍爾佩奇關係失效、逆轉及逐步平穩的背後，主要機理不在於擴散作用。在晶粒尺寸的下降過程中，密度的降低及耗散能的增加與晶界體積分數的增加有關。文章表示，鑑於晶粒尺寸與硬度、彈性、能量耗散等的依賴關係，可以通過改變晶粒尺寸來調整納米晶陶瓷的強度，這可能會對陶瓷防護材料的設計帶來革命性改變。

NRL獲得上述發現，關鍵是NRL擁有一種納米燒結技術，即“環境受控的壓力輔助燒結”（EC-PAS），能夠用來製成大型的固態納米構件。燒結是一種通過加熱或加壓形成固體物質的工藝。運用這種特有的燒結方法，NRL將晶粒尺寸降到了3.6納米，這相當於人體頭髮絲厚度的三萬分之一，打破了緻密性陶瓷在晶粒尺寸上的世界紀錄。NRL研究人員稱，EC-PAS納米燒結技術是NRL在納米晶陶瓷領域未來創新的關鍵，爲探索納米材料領域諸多現象的極限提供了機會，防護材料只是這種探索的開始。

海軍一直希望減輕作戰人員的負重，如果能夠製造出硬度更高或者性能更優的防彈材料，那麼作戰人員或車輛就可以適量減少防彈/裝甲材料的配備，留出更多體力或空間來攜帶彈藥及電子設備。美國智庫新美國安全中心（CNAS）在近期發佈的《士兵防護現狀》報告中也強調了防彈衣過重問題，稱士兵防彈衣雖然顯著提升了士兵的戰場生存能力，但代價是“沉重”的，防彈衣的重量在過去15年裏幾乎增加了一倍，截止2016年，平均1名士兵的防護裝備總重已達27磅（約合12千克）。