Forskere har lenge jobbet med å finne nye materialer som er bedre beskyttet mot 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 målmaterialer, ifølge en artikkel i ACS Applied Materials & grensesnitt, forstår LaserMade.com. Dette gjøres ved å bruke en høyintensiv laser for å skyte ut et mikroprosjektil med nær lydhastigheten på et målmateriale, 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 en skaleringsmetode for å forutsi materialets motstand mot punktering av et større høyenergiprosjektil, for eksempel en kule. På denne måten, 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 studerer et nytt materiale for en beskyttende applikasjon, kan vi med vår nye tilnærming få en tidligere ide om hvorvidt dets beskyttende egenskaper er verdt å studere."
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 der oppskalering til tilstrekkelige mengder ofte er umulig eller upraktisk.
Problemet med ballistisk testing er at det er to trinn du må ta for å lage nye materialer," sa Christopher Soles, en materialforskningsingeniør ved NIST. Du må 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."
Under studien brukte forskerne metoden sin til å evaluere flere materialer, inkludert mye brukte ballistiske glassforbindelser, nye nanokompositter og prøver av grafenmaterialer.
Testmetoden kalles LIPIT, som står for "Laser Induced Projectile Impact Test. Den bruker en laser til å skyte et mikroprosjektil laget av silika eller glass inn i en tynn film av materialet av interesse. Gjennom laserablasjon produserer laseren en høy- trykkbølge som skyver mikroprosjektilmaterialet inn i prøven.
Forskerne brukte først metoden til å analysere en nanokompositt kalt polymerpodet nanopartikkelpolymetakrylat (npPMA) kompositt. Den består av silika nanopartikler og kan brukes i et bredt spekter av bruksområder, inkludert skuddsikre vester. En laser driver mikrokulene mot målmaterialet med hastigheter på 100 til 400 meter per sekund, og et kamera brukes til å måle virkningen.
Forskerne kombinerte målingene som ble oppnådd på npPMA med ytterligere matematisk analyse, sammen med tilgjengelige data om materialet fra forskningslitteraturen, for å relatere resultatene fra mikroballasttestene til virkningen i en større innvirkning. Siden npPMA er et nytt materiale som ikke er lett å fremstille, utvidet de analysen til å inkludere en mer vanlig sammensetning (polykarbonat), som er mye brukt som skuddsikkert glass.
Ved hjelp av en kombinasjon av litteraturresultater, dimensjonsanalyse og LIPITs metodikk, kunne forskerne demonstrere at materialets punkteringsmotstand er relatert til den maksimale spenningen materialet tåler før brudd (dvs. bruddspenning). Dette utfordrer den nåværende forståelsen av ballistisk ytelse, som vanligvis antas å være relatert til hvordan trykkbølger passerer gjennom et materiale.
Deres nye metode kan bestemme styrkegrensen til et materiale, eller hvor mye stress og trykk det tåler, uten å direkte måle disse egenskapene på forhånd, noe som bidrar til å optimalisere hvilke materialer som skal velges 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 det neste trinnet planlegger forskerne å evaluere de ballistiske egenskapene til andre nye materialer og studere forskjellige typer og konfigurasjoner. De vil også variere størrelsen på mikrobombene og utvide hastighetsområdet.
