Дослідники давно працюють над пошуком нових матеріалів, які краще захищені від високошвидкісних проколів, 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 цільових матеріалів, згідно зі статтею в ACS Applied Materials. & Інтерфейси, LaserMade.com розуміє. Це робиться за допомогою лазера високої інтенсивності для викиду мікроснаряда зі швидкістю, близькою 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 використовується метод масштабування для прогнозування стійкості матеріалу до проколу більшим високоенергетичним снарядом, таким як куля. Таким чином, поєднуючи тестування з методами аналізу та масштабування, вчені можуть відкрити 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 вивчаєте новий матеріал для захисного застосування, за допомогою нашого нового підходу ми можемо отримати раніше уявлення про те, чи варто вивчати його захисні властивості».
Синтезування невеликих кількостей нового полімеру може бути досить рутинним у лабораторних експериментах; Проблема полягає в тому, щоб збільшити кількість, щоб перевірити його стійкість до проколів - матеріали, виготовлені з нових синтетичних полімерів, де масштабування до достатніх кількостей часто неможливо або недоцільно.
Проблема з балістичними випробуваннями полягає в тому, що ви повинні зробити два кроки, щоб створити нові матеріали", - сказав Крістофер Соулз, інженер з дослідження матеріалів у NIST. Вам потрібно синтезувати новий полімер, який, на вашу думку, є кращим, а потім збільшити його масштаб до рівня кілограма. Великим досягненням цієї роботи є те, що ми несподівано виявили, що мікробалістичні випробування можна розширити та пов’язати з масштабними випробуваннями в реальному світі».
Під час дослідження дослідники використовували свій метод для оцінки кількох матеріалів, включаючи широко використовувані склади балістичного скла, нові нанокомпозити та зразки графенових матеріалів.
Метод тестування називається LIPIT, що розшифровується як «Laser Induced Projectile Impact Test». Він використовує лазер для вогню мікроснаряда, виготовленого з кремнезему або скла, у тонку плівку цікавого матеріалу. Завдяки лазерній абляції лазер виробляє високоякісну хвиля тиску, яка штовхає матеріал мікроснаряда в зразок.
Дослідники вперше використали цей метод для аналізу нанокомпозиту під назвою поліметакрилат з наночастинками (npPMA). Він складається з наночастинок кремнезему і може використовуватися в широкому діапазоні застосувань, включаючи бронежилети. Лазер рухає мікрокулі до цільового матеріалу зі швидкістю від 100 до 400 метрів на секунду, а камера використовується для вимірювання їх удару.
Дослідники поєднали вимірювання, отримані на npPMA, з додатковим математичним аналізом разом із наявними даними про матеріал із наукової літератури, щоб пов’язати результати випробувань мікробаласту з ударом у більшому ступені. 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 пов’язана з максимальним навантаженням, яке матеріал може витримати перед руйнуванням (тобто напругою руйнування). Це кидає виклик поточному розумінню балістичних характеристик, які зазвичай вважаються пов’язаними з тим, як хвилі тиску проходять через матеріал.
Їхній новий метод може визначити межу міцності матеріалу, або скільки навантажень і тиску він може витримати, без безпосереднього вимірювання цих властивостей 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.
На наступному етапі дослідники планують оцінити балістичні властивості інших нових матеріалів і вивчити різні типи та конфігурації. Вони також змінюватимуть розмір мікробомб і розширять діапазон їхніх швидкостей.
