연구원들은 헬멧 안감으로 사용할 때 현재 미군 헬멧에 사용되는 안감보다 충격의 운동 에너지를 거의 30배 더 잘 흡수하는 탄소 나노튜브로 만든 새로운 경량 폼을 개발했습니다. 폼은 군인과 운동선수 사이의 뇌진탕 가능성을 예방하거나 크게 줄일 수 있습니다.
외상성 뇌 손상(TBI)은 운동선수와 재향군인의 영구 장애 및 사망의 주요 원인 중 하나입니다. 부상 통계에 따르면 대부분의 외상성 뇌 손상(뇌진탕이 하위 유형임)은 뇌에 선형 및 회전 운동 에너지를 가하고 섬세한 뇌 조직이 절단되는 경사 충격과 관련이 있습니다.
헬멧의 효율성을 높이기 위해 군인과 운동선수가 착용하는 헬멧은 두 가지 충격력을 모두 제한하는 패딩 소재를 사용해야 합니다. 이것이 바로 위스콘신대학교 매디슨대학교의 연구자들이 시도하고 있는 일입니다. 신체와 머리의 충격으로 인한 외상성 뇌 손상을 예방하거나 완화하기 위해 헬멧 안감으로 사용할 수 있는 새로운 경량 폼 소재를 개발했습니다.
이번 연구의 교신 저자인 Ramathasan Thevamaran은 "이 물질은 뇌진탕 예방에 있어 새로운 헬멧을 더욱 효과적으로 만들 수 있는 큰 잠재력을 보여줍니다."라고 말했습니다.
현재 연구에서 Thevamaran은 수직 정렬 탄소 나노튜브(VACNT) 폼(1원자 두께의 탄소 실린더로 세심하게 배열된 층)과 그 놀라운 충격 흡수 기능에 대한 이전 연구를 기반으로 했습니다. 현재 헬멧은 충격 시 착용자의 머리와 헬멧 사이의 미끄러짐 운동을 허용하여 회전 운동을 줄이려고 합니다. 그러나 연구원들은 이 움직임이 전단력에서 에너지를 소산하지 않으며 충격 후 심하게 압축되면 멈출 수 있다고 말합니다. 대조적으로, 그들의 새로운 폼은 슬라이딩 레이어에 의존하지 않습니다.
VACNT 폼은 독특한 변형 메커니즘을 통해 이러한 단점을 방지합니다. 압축 상태에서 VACNT는 지속적으로 점진적인 집단 좌굴을 겪으며 낮은 전단 변형률 수준의 순응성에서 높은 변형률 수준의 강화 반응으로 증가합니다. 그 결과 압축 좌굴이 완전히 펼쳐져 VACNT 폼이 큰 전단 변형을 견디고 하역 시 거의 원래 상태로 돌아갈 수 있습니다.
연구원들은 25% 사전 압축에서 폼의 전단 에너지 소산이 비슷한 밀도의 폴리우레탄 탄성 폼보다 거의 30배 더 높았으며 전단 변형률은 50%에 달한다는 사실을 발견했습니다.
연구진은 "이러한 특성으로 인해 VACNT 폼은 현대 보호용 헬멧의 패딩 재료로 매우 적합하게 되었습니다. 이는 일반적인 충격력을 약화시킬 뿐만 아니라 경사 충격에 의해 생성된 회전 운동 에너지를 제어하여 외상성 뇌 손상을 예방합니다"라고 말했습니다.
그들은 이전에 VACNT 폼의 뛰어난 열 전도성과 확산 특성을 입증했는데, 이를 통해 폼으로 만든 헬멧 안감이 더운 환경에서도 시원하게 유지됩니다. VACNT 폼은 헬멧에 사용되는 것 외에도 전자 포장 및 시스템에 사용되어 충격으로부터 보호하고 전자 장치를 시원하게 유지할 수 있습니다.
이 연구는 Experimental Mechanics 저널에 게재되었습니다.
컴파일된 소스: ScitechDaily