Исследователи разработали новую легкую пену из углеродных нанотрубок, которая при использовании в качестве подкладки шлема поглощает кинетическую энергию, вызываемую ударом, почти в 30 раз лучше, чем подкладки, используемые в настоящее время в военных шлемах США. Пена может предотвратить или значительно снизить вероятность сотрясения мозга у военнослужащих и спортсменов.
Среди спортсменов и военных ветеранов черепно-мозговая травма (ЧМТ) является одной из основных причин стойкой инвалидности и смертности. Статистика травм показывает, что большинство ЧМТ, подтипом которых является сотрясение мозга, связаны с косыми ударами, которые подвергают мозг воздействию комбинации линейных и вращательных кинетических энергетических сил и вызывают разрыв нежной ткани мозга.
<р>Чтобы повысить свою эффективность, в шлемах, которые носят военнослужащие и спортсмены, должен использоваться материал подкладки, ограничивающий и то, и другое. Именно здесь на помощь приходят исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон. Будучи преисполнены решимости предотвратить или уменьшить последствия ЧМТ, вызванных ударами по телу и голове, они разработали новый легкий пенопласт для использования в качестве подкладки шлема.
«Этот материал демонстрирует большие перспективы для создания новых шлемов, которые значительно лучше предотвращают сотрясение мозга», — сказал Раматасан Тевамаран, автор исследования.
В своем нынешнем исследовании Тевамаран опирался на свои предыдущие исследования пенопластов из вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (VACNT) – тщательно расположенных слоев углеродных цилиндров толщиной в один атом – и их исключительных амортизирующих свойств. Современные шлемы пытаются уменьшить вращательное движение, позволяя скользить между головой пользователя и шлемом во время удара. Однако исследователи говорят, что это движение не рассеивает энергию при сдвиге и может заклинить при сильном сжатии после удара. Вместо этого их новый пенопласт не основан на скользящих слоях.
Косые удары, связанные с большинством ЧМТ, подвергают мозг воздействию комбинации линейных и вращательных сил сдвига.Maheswaran et al. <р>Пена VACNT позволяет избежать этого недостатка благодаря уникальному механизму деформации. При сжатии VACNT подвергаются коллективному последовательному прогрессирующему короблению: от повышенной податливости при низких уровнях деформации сдвига до реакции ужесточения при высоких уровнях деформации. Сформированные компрессионные пряжки полностью разворачиваются, позволяя пене VACNT выдерживать большие деформации сдвига, прежде чем вернуться к исходному состоянию после снятия нагрузки.
Исследователи обнаружили, что при предварительном сжатии 25% пена показала почти 30 рассеивание энергии при сдвиге в раз выше – до 50% деформации сдвига – чем у эластомерных пенополиуретанов аналогичной плотности.
«Эти характеристики делают пенопласты VACNT очень подходящими в качестве материалов подкладки для современных защитных касок, целью которых является предотвращение ЧМТ не только смягчает обычный удар, но и управляет кинетической энергией вращения, возникающей в результате косых ударов», — заявили исследователи.
Ранее исследователи продемонстрировали выдающуюся теплопроводность и коэффициент диффузии пены VACNT, которые позволили бы изготовить шлем. подкладка из пенопласта, позволяющая сохранять прохладу в жарких условиях. Помимо использования в шлемах, пенопласт VACNT можно использовать в электронных упаковках и системах для предотвращения ударов и охлаждения электроники.
Исследование было опубликовано в журнале Экспериментальная механика. р>
