Исследователи уже давно работают над поиском новых материалов, которые лучше противостоят высокоскоростным проколам, но трудно связать микроскопические детали многообещающих новых материалов с их реальным поведением в реальном мире.
Чтобы решить эту проблему, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новый метод, который использует испускаемые лазером снаряды и данные, чтобы помочь предсказать микроскопические свойства и поведение целевого материала, как показано в ACS Applied Materials. & Статья об интерфейсах. Это делается с помощью высокоинтенсивного лазера для стрельбы микроснарядами со скоростями, близкими к скорости звука, по материалу мишени, который в данном случае представляет собой полимерную пленку, представляющую испытуемый материал, устойчивый к проколам.
Обмен энергией между частицами и тестируемым образцом материала анализируется на микроскопическом уровне, а затем используются методы масштабирования для прогнозирования сопротивления материала проколу более крупным высокоэнергетическим снарядом, таким как пуля. Точно так же, сочетание тестирования с методами анализа и масштабирования позволяет ученым открывать новые материалы, устойчивые к проколам. Новая программа снижает потребность в длительной серии лабораторных экспериментов с использованием более крупных снарядов и более крупных образцов.
Химик NIST Кэтрин Эванс объясняет: «Когда вы исследуете новый материал для защитного применения, с нашим новым подходом мы можем раньше узнать, стоит ли исследовать его защитные свойства».
Синтез небольших количеств нового полимера может быть довольно рутинным в лабораторных экспериментах; задача состоит в том, чтобы увеличить количество для проверки его стойкости к проколам - материалы, изготовленные из новых синтетических полимеров, увеличение количества до достаточного количества часто невозможно или нецелесообразно.
Проблема с баллистическими испытаниями заключается в том, что при создании нового материала необходимо выполнить два шага», — говорит Кристофер Соулс, инженер-исследователь материалов из NIST. Сначала вам нужно синтезировать новый полимер, который вы считаете лучшим, а затем масштабировать. до килограммового уровня. Большим достижением этой работы является то, что мы неожиданно обнаружили, что микробаллистические испытания можно масштабировать и связать с реальными крупномасштабными испытаниями».
В ходе исследования исследователи оценили несколько материалов, используя свою методологию, включая образцы широко используемых соединений баллистического стекла, новых нанокомпозитов и графеновых материалов.
Этот метод испытаний называется LIPIT, что означает «испытание удара снаряда, индуцированного лазером». Он использует лазер для стрельбы микроснарядами, сделанными из кварца или стекла, в тонкие пленки интересующего материала. волна, которая проталкивает материал снаряда в образец.
Исследователи впервые использовали этот метод для анализа типа нанокомпозита, называемого композитом полиметакрилата с привитыми наночастицами (npPMA). Он состоит из наночастиц диоксида кремния, которые можно использовать в самых разных областях, включая пуленепробиваемые жилеты. Лазеры направляют микробомбы к целевому материалу со скоростью от 100 до 400 метров в секунду, а для измерения их воздействия используется видеокамера.
Исследователи объединили измерения, полученные на npPMA, с дополнительным математическим анализом, наряду с существующими данными по материалам из исследовательской литературы, чтобы связать результаты испытаний микробомбы с ударами при более крупных ударах. Поскольку npPMA — это новый материал, который непросто изготовить, они расширили свой анализ, включив в него более часто используемое соединение (поликарбонат), которое широко используется в качестве пуленепробиваемого стекла.
Используя сочетание литературных результатов, анализа размеров и методологии LIPIT, исследователи смогли продемонстрировать, что сопротивление материала проколу коррелирует с максимальным напряжением, которое материал может выдержать до разрушения (т. е. напряжением разрушения). Это бросает вызов нынешнему пониманию баллистических характеристик, которые часто считают связанными с тем, как волна давления проходит через материал.
Их новый метод позволяет им определить предел прочности материала или то, какое напряжение и давление он может выдержать, без необходимости непосредственно измерять эти свойства заранее, что помогает оптимизировать выбор материалов в эксперименте. Это позволило им исследовать такие материалы, как графен, что позволяет предположить, что несколько тонкопленочных слоев материала можно использовать для ударопрочных приложений, подобных высокоэффективным полимерам.
В качестве следующих шагов исследователи планируют оценить баллистические свойства других новых материалов и исследовать различные типы и конфигурации. Они также будут варьировать размер микропуль и расширять диапазон их скоростей.
