Naukowcy od dawna pracują nad znalezieniem nowych materiałów, które są lepiej chronione przed przebiciami z dużą prędkością, ale trudno jest połączyć mikroskopijne szczegóły obiecujących nowych materiałów z ich rzeczywistym zachowaniem w prawdziwym świecie.
Aby rozwiązać ten problem, naukowcy z National Institute of Standards and Technology (NIST) opracowali nową metodę, która wykorzystuje pociski emitowane przez laser i dane, aby pomóc przewidzieć mikroskopijne właściwości i zachowanie materiałów docelowych, zgodnie z artykułem w ACS Applied Materials & Interfejsy, LaserMade.com rozumie. Odbywa się to za pomocą lasera o dużym natężeniu do wyrzucenia mikropocisku z prędkością bliską prędkości dźwięku w materiał docelowy, którym w tym przypadku jest folia polimerowa reprezentująca badany materiał odporny na przebicie.
Wymiana energii między cząstkami a badaną próbką materiału jest analizowana na poziomie mikroskopowym, a następnie metodą skalowania prognozowana jest odporność materiału na przebicie większym pociskiem o dużej energii, np. pociskiem. W ten sposób, łącząc testy z metodami analizy i skalowania, naukowcy mogą odkrywać nowe materiały odporne na przebicie. Nowy program zmniejsza potrzebę długich serii eksperymentów laboratoryjnych z użyciem większych pocisków i większych próbek.
Chemik NIST, Katherine Evans, wyjaśnia: „Kiedy badasz nowy materiał do zastosowania ochronnego, dzięki naszemu nowemu podejściu, możemy wcześniej zorientować się, czy jego właściwości ochronne są warte zbadania”.
Syntetyzowanie niewielkich ilości nowego polimeru może być dość rutynowe w eksperymentach laboratoryjnych; wyzwaniem jest zwiększenie ilości, aby przetestować odporność na przebicie - materiały wykonane z nowych syntetycznych polimerów, w przypadku których zwiększenie skali do wystarczających ilości jest często niemożliwe lub niepraktyczne.
Problem z testami balistycznymi polega na tym, że przy wytwarzaniu nowych materiałów trzeba wykonać dwa kroki” – powiedział Christopher Soles, inżynier ds. badań materiałowych w NIST. Trzeba zsyntetyzować nowy polimer, który Twoim zdaniem jest lepszy, a następnie zwiększyć jego skalę do poziomu kilograma. Wielkim osiągnięciem tej pracy jest to, że nieoczekiwanie odkryliśmy, że testy mikrobalistyczne można zwiększyć i połączyć z rzeczywistymi testami na dużą skalę”.
Podczas badań naukowcy wykorzystali swoją metodę do oceny kilku materiałów, w tym szeroko stosowanych związków szkła balistycznego, nowych nanokompozytów i próbek materiałów grafenowych.
Metoda testowa nosi nazwę LIPIT, co oznacza „Laser Induced Projectile Impact Test”. Wykorzystuje laser do wystrzelenia mikropocisku wykonanego z krzemionki lub szkła w cienką warstwę badanego materiału. Poprzez ablację laserową laser wytwarza wysoko- fala ciśnienia, która wpycha materiał mikropocisku do próbki.
Naukowcy najpierw wykorzystali tę metodę do analizy nanokompozytu zwanego kompozytem polimetakrylanu szczepionego polimerem (npPMA). Składa się z nanocząstek krzemionki i może być używany w szerokim zakresie zastosowań, w tym w kamizelkach kuloodpornych. Laser napędza mikropociski w kierunku materiału docelowego z prędkością od 100 do 400 metrów na sekundę, a kamera służy do pomiaru ich uderzenia.
Naukowcy połączyli pomiary uzyskane na npPMA z dodatkową analizą matematyczną, wraz z dostępnymi danymi na temat materiału z literatury naukowej, aby powiązać wyniki testów mikrobalastowych z uderzeniem w większym uderzeniu. Ponieważ npPMA jest nowym materiałem, który nie jest łatwy do wytworzenia, rozszerzyli swoją analizę o bardziej powszechnie stosowany związek (poliwęglan), który jest szeroko stosowany jako szkło kuloodporne.
Korzystając z kombinacji wyników literaturowych, analizy wymiarowej i metodologii LIPIT, naukowcy byli w stanie wykazać, że odporność materiału na przebicie jest związana z maksymalnym naprężeniem, jakie materiał może wytrzymać przed pęknięciem (tj. naprężeniem niszczącym). To podważa obecne rozumienie wydajności balistycznej, które zwykle uważa się za związane z tym, jak fale ciśnienia przechodzą przez materiał.
Ich nowa metoda może określić granicę wytrzymałości materiału lub ile może wytrzymać naprężeń i nacisków, bez wcześniejszego bezpośredniego pomiaru tych właściwości, co pomaga zoptymalizować wybór materiałów w eksperymencie. To pozwoliło im zbadać materiały, takie jak grafen, co sugeruje, że wiele cienkich warstw tego materiału można wykorzystać do zastosowań odpornych na uderzenia, podobnie jak polimery o wysokiej wydajności.
W następnym kroku naukowcy planują ocenić właściwości balistyczne innych nowych materiałów oraz zbadać różne typy i konfiguracje. Zmienią także rozmiar mikrobomb i zwiększą zakres ich prędkości.
