NUS研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)砂具有優(yōu)異的能量吸收性能，其抵抗沖擊的能力比鋼鐵更優(yōu)異，且隨著彈射速度的增加而增加。相比鋼鐵，砂更便宜、更輕、更環(huán)保，有望取代鋼鐵來增強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施以及裝甲系統(tǒng)的保護(hù)。

    雖然沙子長(zhǎng)久以來被用于軍事防御，但很少有人知道其獨(dú)特的能量吸收能力。在最近的一項(xiàng)研究中，新加坡國(guó)立大學(xué)（NUS）工程學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，沙子可以吸收對(duì)其施加的85％以上的能量，并且其抵抗沖擊的能力隨著彈射速度的增加而增加，即使在高速下也是如此。相比之下，鋼板對(duì)高速拋射的能量吸收能力較差。這個(gè)新的發(fā)現(xiàn)表明，沙子有望用作更便宜、更輕和更環(huán)保的替代品，從而增強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施以及裝甲系統(tǒng)的保護(hù)。

    NUS研究團(tuán)隊(duì)由土木與環(huán)境工程系助理教授Darren Chian Siau Chen領(lǐng)導(dǎo)，他們?cè)趯?duì)硅砂塊噴射各種形狀和質(zhì)量的射彈測(cè)試后，得到了這一新發(fā)現(xiàn)。硅砂是世界上最常見的砂種之一。

    “雖然在軍事環(huán)境中長(zhǎng)期使用壓實(shí)砂作防御保護(hù)，但壓實(shí)砂是如何起到抵抗沖擊的效果，這種阻力又是如何隨著射彈速度和射彈形狀的變化而變化，這仍然缺乏詳細(xì)的理解。我們的研究集中在砂的能量吸收機(jī)制——也就是說，它如何抵擋彈體侵徹。我們的研究結(jié)果表明，砂是一種具有強(qiáng)大潛力的復(fù)合材料，可保護(hù)物體免受沖擊的，” 助理教授Chian說。

    沙吸收彈道沖擊的效果比鋼更好

    該團(tuán)隊(duì)包括來自機(jī)械工程部的副教授Vincent Tan和土木與環(huán)境工程系的助理教授Anand Sarma，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)彈丸高速噴射到砂塊上時(shí)，砂可吸收其85%以上的能量。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，砂塊具有的阻力隨著彈丸速度的增加而增加。他們研究了不同形狀和質(zhì)量的彈丸在寬范圍速度下發(fā)射的效果。

    沖擊還會(huì)產(chǎn)生極大的摩擦力，可將拋射體作用成碎片。這是由于砂粒具有壓力和摩擦，砂粒會(huì)膨脹并且阻止彈丸的繼續(xù)穿透。相反，當(dāng)彈丸速度增加時(shí)，等效鋼板的能量吸收能力急劇減小，導(dǎo)致彈丸在沒有進(jìn)一步明顯阻力的情況下通過鋼板，這也稱為流體動(dòng)力效應(yīng)。當(dāng)彈丸速度超過彈道極限（彈丸穿透目標(biāo)所需的最小速度）后，鋼的材料強(qiáng)度幾乎為零，表現(xiàn)類似于流體。

    砂的擴(kuò)展應(yīng)用

    目前砂廣泛應(yīng)用于玻璃制造、建筑施工和土地開墾等領(lǐng)域，該團(tuán)隊(duì)相信他們的研究結(jié)果將進(jìn)一步擴(kuò)大砂的應(yīng)用范圍。

    “這些沙子的獨(dú)特特征可能在影響我們?nèi)粘Ｉ罘矫嬉约胺烙I(lǐng)域中開辟出令人興奮的新應(yīng)用。例如，鋼是構(gòu)造裝甲系統(tǒng)的關(guān)鍵材料之一，而砂具有優(yōu)異的能量吸收性能，因而可以取代部分鋼，不僅成本低廉的、環(huán)境友好，而且擴(kuò)作為輕質(zhì)的犧牲層。考慮到敵對(duì)威脅的可能性，沙子也可以用作鋼的補(bǔ)充建筑材料，以加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和家庭庇護(hù)所的保護(hù)，因?yàn)槠渖鋸椀挚构δ軆?yōu)異，” 助理教授Chian補(bǔ)充說。

    展望未來，NUS團(tuán)隊(duì)打算進(jìn)行更大規(guī)模的試驗(yàn)來全面開發(fā)抗沖擊砂的潛在性能。為了進(jìn)一步挖掘砂的穿透抑制性能，研究人員還將探索將砂層與其他柔性材料整合，從而保護(hù)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。此外，研究團(tuán)隊(duì)還將研究類似地質(zhì)材料（如巖石碎石）的能量吸收能力。