Výskumníci už dlho pracujú na hľadaní nových materiálov, ktoré lepšie odolávajú vysokorýchlostným prepichnutiam, ale je ťažké spojiť mikroskopické detaily sľubných nových materiálov s ich skutočným správaním v reálnom svete.
Na vyriešenie tohto problému výskumníci z Národného inštitútu pre štandardy a technológie (NIST) navrhli novú metódu, ktorá využíva laserom emitované projektily a údaje, ktoré pomáhajú predpovedať mikroskopické vlastnosti a správanie cieľového materiálu, ako je uvedené v ACS Applied Materials. Článok & Rozhrania. Robí sa to pomocou vysokointenzívneho lasera na vystreľovanie mikroprojektilov rýchlosťou blízkou rýchlosti zvuku na cieľový materiál, ktorým je v tomto prípade polymérová fólia predstavujúca testovaný materiál odolný proti prepichnutiu.
Výmena energie medzi časticami a vzorkou testovaného materiálu sa analyzuje na mikroskopickej úrovni a potom sa používajú metódy škálovania na predpovedanie odolnosti materiálu voči prepichnutiu väčším projektilom s vysokou energiou, ako je guľka. Práve tak kombinácia testovania s metódami analýzy a škálovania umožňuje vedcom objaviť nové materiály odolné proti prepichnutiu. Nový program znižuje potrebu zdĺhavej série laboratórnych experimentov s použitím väčších projektilov a väčších vzoriek.
Chemička NIST Katherine Evans vysvetľuje: "Keď skúmate nový materiál na ochrannú aplikáciu, s naším novým prístupom sa môžeme skôr dozvedieť, či sa oplatí skúmať jeho ochranné vlastnosti."
Syntéza malých množstiev nového polyméru môže byť v laboratórnych experimentoch pomerne rutinná; výzvou je zvýšiť množstvo, aby sa otestovala jeho odolnosť proti prepichnutiu – materiály vyrobené z nových syntetických polymérov, škálovanie na dostatočné množstvo je často nemožné alebo nepraktické.
Problém s balistickým testovaním je, že pri výrobe nového materiálu musíte urobiť dva kroky,“ hovorí Christopher Soles, inžinier výskumu materiálov v NIST. Najprv musíte syntetizovať nový polymér, ktorý je podľa vás lepší, a potom ho škálovať. je to až na úroveň kilogramov. Veľkým úspechom tejto práce je, že sme prekvapivo zistili, že mikrobalistické testovanie je možné rozšíriť a prepojiť s testovaním v reálnom svete vo veľkom meradle.“
V priebehu štúdie výskumníci hodnotili niekoľko materiálov pomocou svojej metodológie, vrátane vzoriek široko používaných balistických sklenených zlúčenín, nových nanokompozitov a grafénových materiálov.
Skúšobná metóda sa nazýva LIPIT, čo je skratka pre „testovanie dopadom projektilu vyvolaného laserom. Používa laser na vystreľovanie mikroprojektilov vyrobených z oxidu kremičitého alebo skla do tenkých vrstiev požadovaného materiálu. Prostredníctvom laserovej ablácie laser generuje vysokotlakový vlna, ktorá tlačí materiál projektilu do vzorky.
Výskumníci prvýkrát použili metódu na analýzu typu nanokompozitu nazývaného polymérom naočkovaný nanočasticový polymetakrylátový (npPMA) kompozit. Skladá sa z nanočastíc oxidu kremičitého, ktoré možno použiť v širokej škále aplikácií vrátane nepriestrelných viest. Lasery poháňajú mikrobomby smerom k cieľovému materiálu rýchlosťou 100 až 400 metrov za sekundu a na meranie ich dopadu sa používa videokamera.
Výskumníci skombinovali merania získané na npPMA s ďalšími matematickými analýzami spolu s existujúcimi údajmi o materiáli z výskumnej literatúry, aby spojili výsledky testov mikrobômb s dopadmi pri väčších nárazoch. Keďže npPMA je nový materiál, ktorý sa nevyrába ľahko, rozšírili svoju analýzu o bežnejšie používanú zlúčeninu (polykarbonát), ktorá je široko používaná ako nepriestrelné sklo.
Pomocou kombinácie výsledkov z literatúry, rozmerovej analýzy a metodológie LIPIT boli výskumníci schopní preukázať, že odolnosť materiálu proti prepichnutiu koreluje s maximálnym namáhaním, ktoré materiál dokáže vydržať pred zlomom (tj namáhanie pri porušení). To spochybňuje súčasné chápanie balistického výkonu, o ktorom sa často predpokladá, že súvisí s tým, ako tlaková vlna prechádza materiálom.
Ich nová metóda im umožňuje určiť medzu pevnosti materiálu alebo to, aké veľké namáhanie a tlak znesie, bez toho, aby museli tieto vlastnosti vopred priamo merať, čo pomáha optimalizovať, ktoré materiály zvoliť v experimente. To im umožnilo preskúmať materiály, ako je grafén, čo naznačuje, že viaceré vrstvy tenkého filmu materiálu by sa mohli použiť na aplikácie odolné voči nárazom, podobne ako pri vysokovýkonných polyméroch.
Pre svoje ďalšie kroky plánujú výskumníci vyhodnotiť balistické vlastnosti iných nových materiálov a preskúmať rôzne typy a konfigurácie. Budú tiež meniť veľkosť mikroguliek a rozširujú rozsah ich rýchlosti.
