Исследователи уже давно работают над поиском новых материалов, которые лучше защищены от высокоскоростных проколов, 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 целевых материалов, согласно статье в ACS Applied Materials. и интерфейсы, понимает LaserMade.com. Это делается с помощью высокоинтенсивного лазера для выброса микроснаряда со скоростью, близкой к скорости звука, в целевой материал, который в данном случае представляет собой полимерную пленку, представляющую устойчивый к проколу материал, подлежащий испытанию.
Обмен энергией между частицами и тестируемым образцом материала анализируется на микроскопическом уровне, а затем используется метод масштабирования для прогнозирования сопротивления материала проколу более крупным высокоэнергетическим снарядом, таким как пуля. Таким образом, сочетая тестирование с методами анализа и масштабирования, ученые могут 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 из NIST Кэтрин Эванс объясняет: «Когда вы изучаете новый материал для защитного применения, с нашим новым подходом мы можем получить более раннее представление о том, стоит ли изучать 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 устойчивости к проколам — материалов, изготовленных из новых синтетических полимеров, где увеличение количества до достаточного количества часто невозможно или нецелесообразно.
Проблема с баллистическими испытаниями заключается в том, что для создания новых материалов необходимо предпринять два шага», — сказал Кристофер Соулс, инженер-исследователь материалов из NIST. «Вы должны синтезировать новый полимер, который, по вашему мнению, лучше, а затем масштабировать его. 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 использовали свой метод для оценки нескольких материалов, в том числе широко используемых соединений баллистического стекла, новых нанокомпозитов и образцов графеновых материалов.
Метод испытаний называется LIPIT, что означает «Испытание на удар снаряда, индуцированное лазером». В нем используется лазер для выстреливания микроснаряда, сделанного из кварца или стекла, в тонкую пленку интересующего материала. волна давления, которая проталкивает материал микроснаряда в образец.
Исследователи впервые использовали этот метод для анализа нанокомпозита, называемого композитом из полиметакрилата с привитыми полимерами (npPMA). Он состоит из наночастиц диоксида кремния и может использоваться в самых разных областях, включая пуленепробиваемые жилеты. Лазер продвигает микропули к целевому материалу со скоростью от 100 до 400 метров в секунду, а камера используется для измерения их воздействия.
Исследователи объединили измерения, полученные на npPMA, с дополнительным математическим анализом, наряду с имеющимися данными по материалу из исследовательской литературы, чтобы связать результаты испытаний микробалласта с ударом при более крупном ударе. Поскольку npPMA — это новый материал, который нелегко изготовить, они расширили свой анализ, включив в него более часто используемое соединение (поликарбонат), которое широко используется в качестве пуленепробиваемого стекла.
Используя литературные результаты, анализ размеров и методологию LIPIT, исследователи смогли продемонстрировать, что сопротивление материала проколу связано с максимальным напряжением, которое материал может выдержать перед разрушением (т. е. напряжением разрушения). Это бросает вызов нынешнему пониманию баллистических характеристик, которые, как обычно считается, связаны с тем, как волны давления проходят через материал.
Их новый метод может определить предел прочности материала или то, какое напряжение и давление он может выдержать, без предварительного непосредственного измерения этих свойств, что помогает оптимизировать выбор материалов для эксперимента. Это позволило им исследовать такие материалы, как графен, что позволяет предположить, что несколько тонкопленочных слоев материала можно использовать для ударопрочных приложений, подобных высокоэффективным полимерам.
На следующем этапе исследователи планируют оценить баллистические свойства других новых материалов и изучить различные типы и конфигурации. Они также изменят размер микробомб и расширит диапазон их скоростей.
