Výzkumníci dlouho pracovali na nalezení nových materiálů, které lépe odolávají vysokorychlostním průrazům, ale je těžké propojit mikroskopické detaily slibných nových materiálů s jejich skutečným chováním v reálném světě.
K vyřešení tohoto problému výzkumníci z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) vymysleli novou metodu, která využívá laserem emitované projektily a data, která pomáhají předpovídat mikroskopické vlastnosti a chování cílového materiálu, jak je ukázáno v ACS Applied Materials. Článek & rozhraní. To se provádí pomocí vysoce intenzivního laseru pro vystřelování mikroprojektilů rychlostí blízkou rychlosti zvuku na cílový materiál, což je v tomto případě polymerní film představující testovaný materiál odolný proti propíchnutí.
Výměna energie mezi částicemi a testovaným vzorkem materiálu se analyzuje na mikroskopické úrovni a poté se použijí metody škálování k předpovědi odolnosti materiálu vůči proražení větším projektilem s vysokou energií, jako je kulka. Stejně tak kombinace testování s metodami analýzy a škálování umožňuje vědcům objevovat nové materiály odolné proti propíchnutí. Nový program snižuje potřebu zdlouhavých sérií laboratorních experimentů s použitím větších projektilů a větších vzorků.
Chemička NIST Katherine Evans vysvětluje: "Když zkoumáte nový materiál pro ochrannou aplikaci, s naším novým přístupem se můžeme dříve dozvědět, zda jeho ochranné vlastnosti stojí za prozkoumání."
Syntéza malých množství nového polymeru může být v laboratorních experimentech docela rutinní; výzvou je zvýšit množství, aby se otestovala jeho odolnost proti propíchnutí – materiály vyrobené z nových syntetických polymerů, zvětšování na dostatečné množství je často nemožné nebo nepraktické.
Problém s balistickým testováním je v tom, že při výrobě nového materiálu musíte udělat dva kroky," říká Christopher Soles, inženýr výzkumu materiálů v NIST. Nejprve musíte syntetizovat nový polymer, o kterém si myslíte, že je lepší, a poté ho škálovat. a to až na úroveň kilogramů. Velkým úspěchem této práce je, že jsme překvapivě zjistili, že mikrobalistické testování lze zvětšit a propojit s reálným testováním ve velkém měřítku."
V průběhu studie vědci hodnotili několik materiálů pomocí své metodologie, včetně vzorků široce používaných balistických sloučenin skla, nových nanokompozitů a grafenových materiálů.
Zkušební metoda se nazývá LIPIT, což je zkratka pro „testování dopadu střely vyvolané laserem. Využívá laser k vystřelování mikroprojektilů vyrobených z oxidu křemičitého nebo skla do tenkých filmů požadovaného materiálu. Prostřednictvím laserové ablace laser generuje vysokotlaký vlna, která tlačí materiál projektilu do vzorku.
Vědci nejprve použili metodu k analýze typu nanokompozitu nazývaného polymerem roubovaný nanočásticový polymethakrylátový (npPMA) kompozit. Skládá se z nanočástic oxidu křemičitého, které lze použít v široké škále aplikací, včetně neprůstřelných vest. Lasery pohánějí mikrobomby směrem k cílovému materiálu rychlostí 100 až 400 metrů za sekundu a k měření jejich dopadu se používá videokamera.
Výzkumníci zkombinovali měření získaná na npPMA s dalšími matematickými analýzami spolu s existujícími údaji o materiálu z výzkumné literatury, aby dali výsledky testů mikrobomby do souvislosti s dopady větších dopadů. Protože npPMA je nový materiál, který není snadno vyrobitelný, rozšířili svou analýzu o běžněji používanou sloučeninu (polykarbonát), která je široce používána jako neprůstřelné sklo.
Pomocí kombinace výsledků z literatury, rozměrové analýzy a metodologie LIPIT byli vědci schopni prokázat, že odolnost materiálu proti proražení koreluje s maximálním napětím, kterému materiál může odolat před zlomem (tj. napětí při porušení). To zpochybňuje současné chápání balistického výkonu, o kterém se často předpokládá, že souvisí s tím, jak tlaková vlna prochází materiálem.
Jejich nová metoda jim umožňuje určit mez pevnosti materiálu nebo jak velké napětí a tlak vydrží, aniž by museli tyto vlastnosti předem přímo měřit, což pomáhá optimalizovat, které materiály zvolit v experimentu. To jim umožnilo prozkoumat materiály, jako je grafen, což naznačuje, že více vrstev tenkého filmu materiálu by mohlo být použito pro aplikace odolné proti nárazu, podobně jako u vysoce výkonných polymerů.
Pro své další kroky vědci plánují vyhodnotit balistické vlastnosti dalších nových materiálů a prozkoumat různé typy a konfigurace. Budou také měnit velikost mikrokuliček a rozšiřovat jejich rozsah rychlostí.
