Изследователите отдавна работят за намиране на нови материали, които са по-добри в устойчивостта на високоскоростни пробиви, но е трудно да се свържат микроскопичните детайли на обещаващите нови материали с действителното им поведение в реалния свят.
За да се справят с този проблем, изследователи от Националния институт за стандарти и технологии (NIST) разработиха нов метод, който използва лазерно излъчвани снаряди и данни, за да помогне за предсказване на микроскопичните свойства и поведение на целевия материал, както е показано в ACS Applied Materials & Статия за интерфейси. Това се прави чрез използване на лазер с висока интензивност за изстрелване на микроснаряди със скорости, близки до скоростта на звука, към целевия материал, който в този случай е полимерен филм, представляващ устойчивия на пробиване материал, който трябва да бъде тестван.
Обменът на енергия между частиците и пробата от тествания материал се анализира на микроскопично ниво и след това се използват методи за мащабиране, за да се предвиди устойчивостта на материала на пробиване от по-голям, високоенергиен снаряд, като куршум. Точно така, комбинирането на тестване с методи за анализ и мащабиране позволява на учените да открият нови материали, устойчиви на пробиване. Новата програма намалява необходимостта от дълга поредица от лабораторни експерименти, използващи по-големи снаряди и по-големи проби.
Химикът на NIST Катрин Еванс обяснява: „Когато изследвате нов материал за защитно приложение, с нашия нов подход можем да научим по-рано дали неговите защитни свойства си струва да бъдат изследвани.“
Синтезирането на малки количества от нов полимер може да бъде доста рутинно в лабораторните експерименти; предизвикателството е да се увеличи количеството, за да се тества неговата устойчивост на пробиване - материали, направени от нови синтетични полимери, увеличаването на достатъчни количества често е невъзможно или непрактично.
Проблемът с балистичните тестове е, че има две стъпки, които трябва да предприемете, когато правите нов материал", казва Кристофър Соулс, инженер по изследване на материали в NIST. Трябва първо да синтезирате нов полимер, който смятате, че е по-добър, и след това да мащабирате до нивото на килограм. Голямото постижение на тази работа е, че изненадващо открихме, че микробалистичните тестове могат да бъдат увеличени и свързани с широкомащабни тестове в реалния свят."
По време на проучването изследователите оцениха няколко материала, използвайки тяхната методология, включително проби от широко използвани балистични стъклени съединения, нови нанокомпозити и графенови материали.
Методът за изпитване се нарича LIPIT, което означава "лазерно индуцирано изпитване на удар на снаряд". Той използва лазер за изстрелване на микроснаряди, направени от силициев диоксид или стъкло, в тънки филми от интересуващия ни материал. Чрез лазерна аблация лазерът генерира високо налягане вълна, която избутва материала на снаряда в пробата.
Изследователите първо са използвали метода, за да анализират тип нанокомпозит, наречен полимер-присаден наночастичен полиметакрилатен (npPMA) композит. Състои се от наночастици силициев диоксид, които могат да се използват в широк спектър от приложения, включително бронирани жилетки. Лазерите задвижват микробомбите към целевия материал със скорости от 100 до 400 метра в секунда, а за измерване на въздействието им се използва видеокамера.
Изследователите комбинираха измерванията, получени на npPMA с допълнителни математически анализи, заедно със съществуващите данни за материала от изследователската литература, за да свържат резултатите от тестовете на микробомбата с ударите при по-големи удари. Тъй като npPMA е нов материал, който не се произвежда лесно, те разшириха анализа си, за да включат по-често използвано съединение (поликарбонат), което се използва широко като бронирано стъкло.
Използвайки комбинация от литературни резултати, анализ на размерите и методологията на LIPIT, изследователите успяха да демонстрират, че съпротивлението на пробиване на материала корелира с максималното напрежение, което материалът може да издържи преди счупване (т.е. напрежението на разрушаване). Това предизвиква сегашното разбиране на балистичните характеристики, за което често се смята, че е свързано с това как вълната на налягане преминава през материал.
Техният нов метод им позволява да определят границата на якост на даден материал или колко напрежение и натиск може да издържи, без да се налага директно да измерват тези свойства предварително, което помага да се оптимизира кои материали да се изберат в експеримент. Това им позволи да изследват материали като графен, което предполага, че множество тънкослойни слоеве от материала могат да се използват за удароустойчиви приложения, подобно на високоефективните полимери.
За следващите си стъпки изследователите планират да оценят балистичните свойства на други нови материали и да изследват различни видове и конфигурации. Те също така ще променят размера на микробулетите и ще разширят скоростния им диапазон.
