Дослідники давно працюють над пошуком нових матеріалів, які краще протистоять високошвидкісним проколам, але важко пов’язати мікроскопічні деталі перспективних нових матеріалів з їх фактичною поведінкою в реальному світі.
Щоб вирішити цю проблему, дослідники з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) розробили новий метод, який використовує лазерні снаряди та дані, щоб допомогти передбачити мікроскопічні властивості та поведінку цільового матеріалу, як показано в прикладних матеріалах ACS. Стаття про інтерфейси. Це робиться за допомогою лазера високої інтенсивності, щоб стріляти мікроснарядами зі швидкостями, близькими до швидкості звуку, на цільовий матеріал, яким у даному випадку є полімерна плівка, що представляє стійкий до проколів матеріал, який потрібно перевірити.
Обмін енергією між частинками та досліджуваним зразком матеріалу аналізується на мікроскопічному рівні, а потім використовуються методи масштабування, щоб передбачити стійкість матеріалу до проколу більшим, високоенергетичним снарядом, таким як куля. Саме так поєднання тестування з методами аналізу та масштабування дозволяє вченим відкривати нові матеріали, стійкі до проколів. Нова програма зменшує потребу в тривалих серіях лабораторних експериментів з використанням більших снарядів і більших зразків.
Хімік NIST Кетрін Еванс пояснює: «Коли ви досліджуєте новий матеріал для захисного застосування, за допомогою нашого нового підходу ми можемо раніше дізнатися, чи варто досліджувати його захисні властивості».
Синтез невеликих кількостей нового полімеру може бути досить рутинним у лабораторних експериментах; Проблема полягає в збільшенні кількості, щоб перевірити його стійкість до проколів - матеріали, виготовлені з нових синтетичних полімерів, масштабування до достатніх кількостей часто є неможливим або недоцільним.
Проблема з балістичними випробуваннями полягає в тому, що ви повинні виконати два кроки, створюючи новий матеріал", - каже Крістофер Соулз, інженер з дослідження матеріалів у NIST. Вам потрібно спочатку синтезувати новий полімер, який, на вашу думку, кращий, а потім масштабувати до кілограмового рівня. Великим досягненням цієї роботи є те, що ми несподівано виявили, що мікробалістичне тестування можна розширити та пов’язати з масштабним тестуванням у реальному світі».
У ході дослідження дослідники оцінили кілька матеріалів за їхньою методологією, включаючи зразки широко використовуваних сполук балістичного скла, нових нанокомпозитів і графенових матеріалів.
Метод тестування називається LIPIT, що розшифровується як «тестування удару снаряда за допомогою лазера». Він використовує лазер для вогню мікроснарядів із кремнезему або скла в тонкі плівки цікавого матеріалу. За допомогою лазерної абляції лазер створює високий тиск хвиля, яка штовхає метальний матеріал у зразок.
Дослідники вперше застосували цей метод для аналізу типу нанокомпозиту, який називається поліметакрилатним композитом з наночастинками з щепленим полімером (npPMA). Він складається з наночастинок кремнезему, які можна використовувати в широкому діапазоні застосувань, включаючи бронежилети. Лазери штовхають мікробомби до цільового матеріалу зі швидкістю від 100 до 400 метрів за секунду, а відеокамера використовується для вимірювання їх удару.
Дослідники поєднали вимірювання, отримані на npPMA, з додатковим математичним аналізом, а також наявні дані про матеріал із дослідницької літератури, щоб пов’язати результати випробувань мікробомби з ударами при більших ударах. Оскільки npPMA є новим матеріалом, який непросто виготовити, вони розширили свій аналіз, включивши більш поширену суміш (полікарбонат), яка широко використовується як куленепробивне скло.
Використовуючи поєднання результатів літератури, розмірного аналізу та методології LIPIT, дослідники змогли продемонструвати, що стійкість матеріалу до проколу корелює з максимальним навантаженням, яке матеріал може витримати перед руйнуванням (тобто, напругою руйнування). Це кидає виклик поточному розумінню балістичних характеристик, які часто вважаються пов’язаними з тим, як хвиля тиску проходить через матеріал.
Їхній новий метод дозволяє визначити межу міцності матеріалу, або скільки навантажень і тиску він може витримати, без необхідності безпосередньо вимірювати ці властивості заздалегідь, що допомагає оптимізувати, які матеріали вибрати в експерименті. Це дозволило їм досліджувати такі матеріали, як графен, що свідчить про те, що кілька шарів тонкої плівки матеріалу можна використовувати для ударостійких застосувань, подібних до високоефективних полімерів.
Для наступних кроків дослідники планують оцінити балістичні властивості інших нових матеріалів і дослідити різні типи та конфігурації. Вони також змінюватимуть розмір мікрокуль і розширять діапазон їхніх швидкостей.
