Výskumníci už dlho pracujú na hľadaní nových materiálov, ktoré sú lepšie chránené pred vysokorýchlostným prepichnutím, 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 cieľových materiálov, podľa článku v ACS Applied Materials. & Rozhrania, LaserMade.com rozumie. To sa dosiahne použitím vysokointenzívneho lasera na vymrštenie mikroprojektilu rýchlosťou blízkou zvuku na cieľový materiál, ktorým je v tomto prípade polymérny film predstavujúci testovaný materiál odolný proti prepichnutiu.
Výmena energie medzi časticami a vzorkou testovaného materiálu sa analyzuje na mikroskopickej úrovni a potom sa na predpovedanie odolnosti materiálu voči prepichnutiu väčším vysokoenergetickým projektilom, ako je guľka, použije metóda škálovania. Týmto spôsobom, kombináciou testovania s metódami analýzy a škálovania, môžu vedci 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 študujete nový materiál na ochrannú aplikáciu, s naším novým prístupom môžeme získať skoršiu predstavu o tom, či sa oplatí študovať jeho ochranné vlastnosti."
Syntéza malých množstiev nového polyméru môže byť v laboratórnych experimentoch pomerne rutinná; výzvou je zväčšiť množstvo, aby sa otestovala jeho odolnosť proti prepichnutiu – materiály vyrobené z nových syntetických polymérov, kde je škálovanie na dostatočné množstvo často nemožné alebo nepraktické.
Problém s balistickým testovaním je v tom, že pri výrobe nových materiálov musíte urobiť dva kroky,“ povedal Christopher Soles, inžinier výskumu materiálov v NIST. Musíte syntetizovať nový polymér, ktorý je podľa vás lepší, a potom ho zväčšiť. 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.“
Počas štúdie vedci použili svoju metódu na vyhodnotenie niekoľkých materiálov vrátane široko používaných balistických sklenených zlúčenín, nových nanokompozitov a vzoriek grafénových materiálov.
Testovacia metóda sa nazýva LIPIT, čo je skratka pre „Laser Induced Projectile Impact Test. Používa laser na vystrelenie mikroprojektilu vyrobeného z oxidu kremičitého alebo skla do tenkého filmu požadovaného materiálu. Prostredníctvom laserovej ablácie laser vytvára vysoko- tlaková vlna, ktorá vtlačí materiál mikroprojektilu do vzorky.
Výskumníci prvýkrát použili metódu na analýzu nanokompozitu nazývaného polymérom vrúbľovaný nanočasticový polymetakrylátový (npPMA) kompozit. Pozostáva z nanočastíc oxidu kremičitého a mohol by byť použitý v širokej škále aplikácií, vrátane nepriestrelných viest. Laser poháňa mikroguľky smerom k cieľovému materiálu rýchlosťou 100 až 400 metrov za sekundu a na meranie ich dopadu sa používa kamera.
Výskumníci skombinovali merania získané na npPMA s dodatočnou matematickou analýzou spolu s dostupnými údajmi o materiáli z výskumnej literatúry, aby dali výsledky testov mikrobalastu do súvislosti s väčším dopadom. Keďže npPMA je nový materiál, ktorý sa nedá ľahko vyrobiť, rozšírili svoju analýzu o bežnejšie používanú zlúčeninu (polykarbonát), ktorá sa široko používa ako nepriestrelné sklo.
Pomocou kombinácie výsledkov z literatúry, rozmerovej analýzy a metodológie LIPIT boli výskumníci schopní preukázať, že odolnosť materiálu proti prepichnutiu súvisí s maximálnym namáhaním, ktoré materiál dokáže vydržať pred zlomom (tj namáhanie pri porušení). To spochybňuje súčasné chápanie balistického výkonu, o ktorom sa zvyčajne predpokladá, že súvisí s tým, ako tlakové vlny prechádzajú materiálom.
Ich nová metóda dokáže určiť medzu pevnosti materiálu alebo to, koľko stresu a tlaku môže odolať, bez toho, aby vopred priamo zmerali tieto vlastnosti, čo pomáha optimalizovať, ktoré materiály si vybrať 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.
V ďalšom kroku výskumníci plánujú vyhodnotiť balistické vlastnosti iných nových materiálov a študovať rôzne typy a konfigurácie. Budú tiež meniť veľkosť mikrobômb a rozširujú rozsah ich rýchlosti.
