Οι ερευνητές εργάζονται εδώ και καιρό για να βρουν νέα υλικά που να προστατεύονται καλύτερα από τρυπήματα υψηλής ταχύτητας, αλλά είναι δύσκολο να συνδεθούν οι μικροσκοπικές λεπτομέρειες των πολλά υποσχόμενων νέων υλικών με την πραγματική τους συμπεριφορά στον πραγματικό κόσμο.
Για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα, ερευνητές στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) επινόησαν μια νέα μέθοδο που χρησιμοποιεί βλήματα και δεδομένα που εκπέμπονται από λέιζερ για να βοηθήσει στην πρόβλεψη των μικροσκοπικών ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς των υλικών-στόχων, σύμφωνα με ένα άρθρο στο ACS Applied Materials. & Διεπαφές, το LaserMade.com κατανοεί. Αυτό γίνεται με τη χρήση λέιζερ υψηλής έντασης για την εκτόξευση ενός μικροβλήματος με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του ήχου σε ένα υλικό στόχο, το οποίο στην περίπτωση αυτή είναι ένα πολυμερές φιλμ που αντιπροσωπεύει το ανθεκτικό στη διάτρηση υλικό που πρόκειται να δοκιμαστεί.
Η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ των σωματιδίων και του δείγματος υλικού που δοκιμάστηκε αναλύεται σε μικροσκοπικό επίπεδο και στη συνέχεια χρησιμοποιείται μια μέθοδος κλιμάκωσης για την πρόβλεψη της αντίστασης του υλικού στη διάτρηση από ένα μεγαλύτερο βλήμα υψηλής ενέργειας, όπως μια σφαίρα. Με αυτόν τον τρόπο, συνδυάζοντας τις δοκιμές με τις μεθόδους ανάλυσης και κλιμάκωσης, οι επιστήμονες μπορούν να ανακαλύψουν νέα υλικά ανθεκτικά στη διάτρηση. Το νέο πρόγραμμα μειώνει την ανάγκη για μια μακρά σειρά εργαστηριακών πειραμάτων χρησιμοποιώντας μεγαλύτερα βλήματα και μεγαλύτερα δείγματα.
Η χημικός του NIST Katherine Evans εξηγεί, «Όταν μελετάτε ένα νέο υλικό για μια προστατευτική εφαρμογή, με τη νέα μας προσέγγιση, μπορούμε να έχουμε μια προηγούμενη ιδέα για το εάν αξίζει να μελετηθούν οι προστατευτικές του ιδιότητες».
Η σύνθεση μικρών ποσοτήτων ενός νέου πολυμερούς μπορεί να είναι αρκετά ρουτίνα σε εργαστηριακά πειράματα. Η πρόκληση είναι η κλιμάκωση της ποσότητας για τη δοκιμή της αντοχής του στη διάτρηση - υλικά κατασκευασμένα από νέα συνθετικά πολυμερή όπου η κλιμάκωση σε επαρκείς ποσότητες είναι συχνά αδύνατη ή μη πρακτική.
Το πρόβλημα με τις βαλλιστικές δοκιμές είναι ότι υπάρχουν δύο βήματα που πρέπει να κάνετε για την κατασκευή νέων υλικών", είπε ο Christopher Soles, μηχανικός έρευνας υλικών στο NIST. Πρέπει να συνθέσετε ένα νέο πολυμερές που πιστεύετε ότι είναι καλύτερο και στη συνέχεια να το κλιμακώσετε Το μεγάλο επίτευγμα αυτής της εργασίας είναι ότι αναπάντεχα διαπιστώσαμε ότι οι μικροβαλλιστικές δοκιμές μπορούν να κλιμακωθούν και να συνδεθούν με πραγματικές δοκιμές μεγάλης κλίμακας».
Κατά τη διάρκεια της μελέτης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη μέθοδό τους για να αξιολογήσουν διάφορα υλικά, συμπεριλαμβανομένων ευρέως χρησιμοποιούμενων βαλλιστικών ενώσεων γυαλιού, νέων νανοσύνθετων και δειγμάτων υλικών γραφενίου.
Η μέθοδος δοκιμής ονομάζεται LIPIT, η οποία σημαίνει "Laser Induced Projectile Impact Test. Χρησιμοποιεί ένα λέιζερ για να εκτοξεύσει ένα μικροβλήμα από πυρίτιο ή γυαλί σε ένα λεπτό φιλμ του υλικού που μας ενδιαφέρει. Μέσω της αφαίρεσης με λέιζερ, το λέιζερ παράγει ένα υψηλό κύμα πίεσης που σπρώχνει το υλικό μικροβλήματος μέσα στο δείγμα.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αρχικά τη μέθοδο για να αναλύσουν ένα νανοσύνθετο που ονομάζεται σύνθετο πολυμεθακρυλικό νανοσωματίδιο πολυμερούς εμβολιασμού (npPMA). Αποτελείται από νανοσωματίδια πυριτίου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των αλεξίσφαιρων γιλέκων. Ένα λέιζερ ωθεί τις μικροσφαίρες προς το υλικό στόχο με ταχύτητες από 100 έως 400 μέτρα ανά δευτερόλεπτο και μια κάμερα χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της πρόσκρουσής τους.
Οι ερευνητές συνδύασαν τις μετρήσεις που ελήφθησαν στο npPMA με πρόσθετη μαθηματική ανάλυση, μαζί με διαθέσιμα δεδομένα για το υλικό από την ερευνητική βιβλιογραφία, για να συσχετίσουν τα αποτελέσματα των δοκιμών μικρο-έρματος με την πρόσκρουση σε μεγαλύτερη κρούση. Δεδομένου ότι το npPMA είναι ένα νέο υλικό που δεν κατασκευάζεται εύκολα, επέκτεινε την ανάλυσή τους για να συμπεριλάβει μια πιο συχνά χρησιμοποιούμενη ένωση (πολυανθρακικό), η οποία χρησιμοποιείται ευρέως ως αλεξίσφαιρο γυαλί.
Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό των αποτελεσμάτων της βιβλιογραφίας, της ανάλυσης διαστάσεων και της μεθοδολογίας του LIPIT, οι ερευνητές μπόρεσαν να αποδείξουν ότι η αντίσταση στη διάτρηση του υλικού σχετίζεται με τη μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει το υλικό πριν από τη θραύση (δηλαδή, τάση αστοχίας). Αυτό αμφισβητεί την τρέχουσα κατανόηση της βαλλιστικής απόδοσης, η οποία συνήθως πιστεύεται ότι σχετίζεται με το πώς τα κύματα πίεσης περνούν μέσα από ένα υλικό.
Η νέα τους μέθοδος μπορεί να καθορίσει το όριο αντοχής ενός υλικού ή πόση καταπόνηση και πίεση μπορεί να αντέξει, χωρίς να μετρήσει απευθείας αυτές τις ιδιότητες εκ των προτέρων, κάτι που βοηθά στη βελτιστοποίηση των υλικών που θα επιλέξουν σε ένα πείραμα. Αυτό τους επέτρεψε να εξερευνήσουν υλικά όπως το γραφένιο, το οποίο υποδηλώνει ότι πολλά στρώματα λεπτής μεμβράνης του υλικού θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές ανθεκτικές στην κρούση, παρόμοιες με πολυμερή υψηλής απόδοσης.
Για το επόμενο βήμα, οι ερευνητές σχεδιάζουν να αξιολογήσουν τις βαλλιστικές ιδιότητες άλλων νέων υλικών και να μελετήσουν διαφορετικούς τύπους και διαμορφώσεις. Θα ποικίλουν επίσης το μέγεθος των μικροβομβών και θα επεκτείνουν το εύρος ταχύτητάς τους.
