Forskere har lenge jobbet med å finne nye materialer som er bedre til å motstå høyhastighetspunkteringer, men det er vanskelig å koble de mikroskopiske detaljene til lovende nye materialer til deres faktiske oppførsel i den virkelige verden.
For å løse dette problemet har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) utviklet en ny metode som bruker laserutsendte prosjektiler og data for å hjelpe til med å forutsi de mikroskopiske egenskapene og oppførselen til et målmateriale, som vist i en ACS Applied Materials & Grensesnitt-artikkel. Dette gjøres ved å bruke en høyintensiv laser for å skyte mikroprosjektiler med hastigheter nær lydhastigheten ved målmaterialet, som i dette tilfellet er en polymerfilm som representerer det punkteringsbestandige materialet som skal testes.
Energiutvekslingen mellom partiklene og den testede materialprøven analyseres på mikroskopisk nivå, og deretter brukes skaleringsmetoder for å forutsi materialets motstand mot punktering av et større høyenergiprosjektil, for eksempel en kule. Akkurat som det, ved å kombinere testing med analyse- og skaleringsmetoder kan forskere oppdage nye punkteringsbestandige materialer. Det nye programmet reduserer behovet for en lang rekke laboratorieeksperimenter med større prosjektiler og større prøver.
NIST-kjemiker Katherine Evans forklarer: "Når du undersøker et nytt materiale for en beskyttende applikasjon, kan vi med vår nye tilnærming lære tidligere om dets beskyttende egenskaper er verdt å undersøke."
Syntetisering av små mengder av en ny polymer kan være ganske rutinemessig i laboratorieeksperimenter; utfordringen er å skalere opp kvantiteten for å teste dens punkteringsmotstand - materialer laget av nye syntetiske polymerer, oppskalering til tilstrekkelige mengder er ofte umulig eller upraktisk.
Problemet med ballistisk testing er at det er to trinn du må ta når du lager et nytt materiale," sier Christopher Soles, en materialforskningsingeniør ved NIST. Du må først syntetisere en ny polymer som du synes er bedre, og deretter skalere den opp til kilogram-nivå. Den store prestasjonen med dette arbeidet er at vi overraskende fant ut at mikroballistisk testing kan skaleres opp og kobles til virkelige, storskala tester."
I løpet av studien evaluerte forskerne flere materialer ved å bruke deres metodikk, inkludert prøver av mye brukte ballistiske glassforbindelser, nye nanokompositter og grafenmaterialer.
Testmetoden kalles LIPIT, som står for "laser-induced projectile impact testing. Den bruker en laser til å skyte mikroprosjektiler laget av silika eller glass inn i tynne filmer av materialet av interesse. Gjennom laserablasjon genererer laseren et høyt trykk bølge som skyver prosjektilmaterialet inn i prøven.
Forskerne brukte først metoden til å analysere en type nanokompositt kalt en polymer-podet nanopartikkel polymetakrylat (npPMA) kompositt. Den består av silika nanopartikler som kan brukes i et bredt spekter av bruksområder, inkludert skuddsikre vester. Lasere driver mikrobombene mot målmaterialet med hastigheter på 100 til 400 meter per sekund, og et videokamera brukes til å måle virkningen.
Forskerne kombinerte målingene som ble oppnådd på npPMA med ytterligere matematiske analyser, sammen med eksisterende data om materialet fra forskningslitteraturen, for å relatere resultatene fra mikrobombetestene til påvirkningene ved større påvirkninger. Siden npPMA er et nytt materiale som ikke er lett å produsere, utvidet de analysen til å inkludere en mer vanlig sammensetning (polykarbonat), som er mye brukt som skuddsikkert glass.
Ved å bruke en kombinasjon av litteraturresultater, dimensjonsanalyse og LIPITs metodikk, kunne forskerne demonstrere at et materiales punkteringsmotstand korrelerer med den maksimale spenningen som materialet tåler før brudd (dvs. bruddspenningen). Dette utfordrer den nåværende forståelsen av ballistisk ytelse, som ofte antas å være relatert til hvordan en trykkbølge passerer gjennom et materiale.
Deres nye metode lar dem bestemme styrkegrensen til et materiale, eller hvor mye stress og trykk det tåler, uten å måtte måle disse egenskapene direkte på forhånd, noe som bidrar til å optimalisere hvilke materialer de skal velge i et eksperiment. Dette tillot dem å utforske materialer som grafen, noe som antyder at flere tynne filmlag av materialet kan brukes til slagfaste applikasjoner, som ligner på høyytelsespolymerer.
For de neste trinnene planlegger forskerne å evaluere de ballistiske egenskapene til andre nye materialer og undersøke forskjellige typer og konfigurasjoner. De vil også variere størrelsen på mikrokulene og utvide hastighetsområdet.
