沙子较钢铁更防弹道冲击

材料牛注：NUS研究团队发现砂具有优异的能量吸收性能，其抵抗冲击的能力比钢铁更优异，且随着弹射速度的增加而增加。相比钢铁，砂更便宜、更轻、更环保，有望取代钢铁来增强对关键基础设施以及装甲系统的保护。

虽然沙子长久以来被用于军事防御，但很少有人知道其独特的能量吸收能力。在最近的一项研究中，新加坡国立大学（NUS）工程学院的研究人员发现，沙子可以吸收对其施加的85％以上的能量，并且其抵抗冲击的能力随着弹射速度的增加而增加，即使在高速下也是如此。相比之下，钢板对高速抛射的能量吸收能力较差。这个新的发现表明，沙子有望用作更便宜、更轻和更环保的替代品，从而增强对关键基础设施以及装甲系统的保护。

NUS研究团队由土木与环境工程系助理教授Darren Chian Siau Chen领导，他们在对硅砂块喷射各种形状和质量的射弹测试后，得到了这一新发现。硅砂是世界上最常见的砂种之一。

“虽然在军事环境中长期使用压实砂作防御保护，但压实砂是如何起到抵抗冲击的效果，这种阻力又是如何随着射弹速度和射弹形状的变化而变化，这仍然缺乏详细的理解。我们的研究集中在砂的能量吸收机制——也就是说，它如何抵挡弹体侵彻。我们的研究结果表明，砂是一种具有强大潜力的复合材料，可保护物体免受冲击的，” 助理教授Chian说。

沙吸收弹道冲击的效果比钢更好

该团队包括来自机械工程部的副教授Vincent Tan和土木与环境工程系的助理教授Anand Sarma，他们发现，当一个弹丸高速喷射到砂块上时，砂可吸收其85%以上的能量。该团队还发现，砂块具有的阻力随着弹丸速度的增加而增加。他们研究了不同形状和质量的弹丸在宽范围速度下发射的效果。

冲击还会产生极大的摩擦力，可将抛射体作用成碎片。这是由于砂粒具有压力和摩擦，砂粒会膨胀并且阻止弹丸的继续穿透。相反，当弹丸速度增加时，等效钢板的能量吸收能力急剧减小，导致弹丸在没有进一步明显阻力的情况下通过钢板，这也称为流体动力效应。当弹丸速度超过弹道极限（弹丸穿透目标所需的最小速度）后，钢的材料强度几乎为零，表现类似于流体。

砂的扩展应用

目前砂广泛应用于玻璃制造、建筑施工和土地开垦等领域，该团队相信他们的研究结果将进一步扩大砂的应用范围。

“这些沙子的独特特征可能在影响我们日常生活方面以及防御领域中开辟出令人兴奋的新应用。例如，钢是构造装甲系统的关键材料之一，而砂具有优异的能量吸收性能，因而可以取代部分钢，不仅成本低廉的、环境友好，而且扩作为轻质的牺牲层。考虑到敌对威胁的可能性，沙子也可以用作钢的补充建筑材料，以加强对关键基础设施和家庭庇护所的保护，因为其射弹抵抗功能优异，” 助理教授Chian补充说。

展望未来，NUS团队打算进行更大规模的试验来全面开发抗冲击砂的潜在性能。为了进一步挖掘砂的穿透抑制性能，研究人员还将探索将砂层与其他柔性材料整合，从而保护关键基础设施。此外，研究团队还将研究类似地质材料（如岩石碎石）的能量吸收能力。

原文链接：Sand Absorbs High-Speed Ballistic Impact Better Than Steel.

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，王冰编译，点我加入材料人编辑部。

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