Cercetătorii s-au străduit de mult timp să găsească noi materiale care să reziste mai bine la perforațiile de mare viteză, dar este greu să conectezi detaliile microscopice ale materialelor noi promițătoare cu comportamentul lor real în lumea reală.
Pentru a rezolva această problemă, cercetătorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) au conceput o nouă metodă care utilizează proiectile emise de laser și date pentru a ajuta la prezicerea proprietăților microscopice și a comportamentului unui material țintă, așa cum se arată într-un material ACS Applied Materials. & Interfețe articol. Acest lucru se realizează prin utilizarea unui laser de mare intensitate pentru a trage micro-proiectile la viteze apropiate de viteza sunetului la materialul țintă, care în acest caz este o peliculă polimerică reprezentând materialul rezistent la perforare care trebuie testat.
Schimbul de energie dintre particule și proba de material testat este analizat la nivel microscopic, iar apoi metodele de scalare sunt utilizate pentru a prezice rezistența materialului la perforare cu un proiectil mai mare, de înaltă energie, cum ar fi un glonț. La fel, combinarea testării cu metodele de analiză și scalare permite oamenilor de știință să descopere noi materiale rezistente la perforare. Noul program reduce necesitatea unei serii lungi de experimente de laborator folosind proiectile mai mari și mostre mai mari.
Chimistul NIST Katherine Evans explică: „Când investigați un material nou pentru o aplicație de protecție, cu noua noastră abordare putem afla mai devreme dacă merită investigate proprietățile sale de protecție.”
Sintetizarea unor cantități mici dintr-un nou polimer poate fi destul de rutină în experimentele de laborator; provocarea este creșterea cantității pentru a-și testa rezistența la perforare - materialele fabricate din polimeri sintetici noi, creșterea la cantități suficiente este adesea imposibilă sau impracticabilă.
Problema testării balistice este că trebuie să faci doi pași atunci când faci un material nou", spune Christopher Soles, inginer de cercetare a materialelor la NIST. Mai întâi trebuie să sintetizați un nou polimer care credeți că este mai bun și apoi să scalați. marea realizare a acestei lucrări este că am descoperit în mod surprinzător că testarea microbalistică poate fi extinsă și conectată la testarea la scară largă în lumea reală.”
Pe parcursul studiului, cercetătorii au evaluat mai multe materiale folosind metodologia lor, inclusiv mostre de compuși de sticlă balistică utilizați pe scară largă, nanocompozite noi și materiale grafen.
Metoda de testare se numește LIPIT, care înseamnă „testare de impact cu proiectile induse de laser. Folosește un laser pentru a trage microproiectile din silice sau sticlă în pelicule subțiri ale materialului de interes. Prin ablația cu laser, laserul generează o presiune înaltă. val care împinge materialul proiectil în probă.
Cercetătorii au folosit pentru prima dată metoda pentru a analiza un tip de nanocompozit numit compozit polimetacrilat de nanoparticule grefate cu polimer (npPMA). Este format din nanoparticule de silice care pot fi utilizate într-o gamă largă de aplicații, inclusiv veste antiglonț. Laserele propulsează micro-bombele către materialul țintă cu viteze de 100 până la 400 de metri pe secundă, iar o cameră video este folosită pentru a măsura impactul lor.
Cercetătorii au combinat măsurătorile obținute pe npPMA cu analize matematice suplimentare, împreună cu datele existente asupra materialului din literatura de cercetare, pentru a lega rezultatele testelor cu microbombă la impactul în impacturi mai mari. Deoarece npPMA este un material nou care nu este ușor de fabricat, ei și-au extins analiza pentru a include un compus mai des utilizat (policarbonat), care este utilizat pe scară largă ca sticlă antiglonț.
Folosind o combinație de rezultate din literatură, analiză dimensională și metodologia LIPIT, cercetătorii au reușit să demonstreze că rezistența la perforare a unui material se corelează cu solicitarea maximă pe care materialul o poate suporta înainte de rupere (adică, efortul de rupere). Acest lucru provoacă înțelegerea actuală a performanței balistice, care este adesea considerată a fi legată de modul în care o undă de presiune trece printr-un material.
Noua lor metodă le permite să determine limita de rezistență a unui material sau cât de multă solicitare și presiune poate rezista, fără a fi nevoie să măsoare direct aceste proprietăți în prealabil, ceea ce ajută la optimizarea materialelor pe care să le aleagă într-un experiment. Acest lucru le-a permis să exploreze materiale precum grafenul, ceea ce sugerează că mai multe straturi subțiri ale materialului ar putea fi folosite pentru aplicații rezistente la impact, similar polimerilor de înaltă performanță.
Pentru următorii pași, cercetătorii plănuiesc să evalueze proprietățile balistice ale altor materiale noi și să investigheze diferite tipuri și configurații. De asemenea, vor varia dimensiunea microglonților și își vor extinde intervalul de viteză.
