A kutatók régóta dolgoznak azon, hogy olyan új anyagokat találjanak, amelyek jobban ellenállnak a nagysebességű lyukasztásoknak, de nehéz összekapcsolni az ígéretes új anyagok mikroszkopikus részleteit a való világban való tényleges viselkedésükkel.
A probléma megoldására a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) kutatói új módszert dolgoztak ki, amely lézerrel kibocsátott lövedékeket és adatokat használ a célanyag mikroszkópikus tulajdonságainak és viselkedésének előrejelzésére, amint azt az ACS Applied Materials is mutatja. & Interfészek cikk. Ez úgy történik, hogy nagy intenzitású lézerrel mikrolövedékeket lőnek ki a hangsebességhez közeli sebességgel a célanyagnál, amely jelen esetben a vizsgálandó átszúrásálló anyagot reprezentáló polimer film.
A részecskék és a vizsgált anyagminta közötti energiacserét mikroszkópos szinten elemzik, majd skálázási módszerekkel jósolják meg az anyag ellenállását egy nagyobb, nagy energiájú lövedék, például egy golyó által okozott átszúrással szemben. Hasonlóképpen, a tesztelés elemzési és skálázási módszerekkel való kombinálása lehetővé teszi a tudósok számára, hogy új szúrásálló anyagokat fedezzenek fel. Az új program csökkenti a hosszadalmas laboratóriumi kísérletsorozat szükségességét, nagyobb lövedékekkel és nagyobb mintákkal.
A NIST kémikusa, Katherine Evans elmagyarázza: "Amikor egy új anyagot védő alkalmazáshoz vizsgál, új megközelítésünkkel korábban megtudhatjuk, hogy érdemes-e megvizsgálni a védő tulajdonságait."
Kis mennyiségű új polimer szintetizálása meglehetősen rutinszerű lehet a laboratóriumi kísérletekben; a kihívást a mennyiség növelése jelenti a szúrásállóság teszteléséhez – az új szintetikus polimerekből készült anyagok esetében a megfelelő mennyiségek növelése gyakran lehetetlen vagy nem praktikus.
A ballisztikai teszteléssel az a probléma, hogy két lépést kell megtennie, ha új anyagot készít" - mondja Christopher Soles, a NIST anyagkutató mérnöke. Először meg kell szintetizálnia egy új polimert, amely szerinte jobb, majd méretezheti. Ennek a munkának a nagy eredménye, hogy meglepő módon azt tapasztaltuk, hogy a mikroballisztikus tesztelés skálázható, és összekapcsolható a valós, nagyszabású teszteléssel."
A vizsgálat során a kutatók számos anyagot értékeltek módszertanuk segítségével, köztük széles körben használt ballisztikus üvegvegyületek mintáit, új nanokompozitokat és grafén anyagokat.
A vizsgálati módszert LIPIT-nek hívják, ami a "lézer-indukált lövedékek ütésvizsgálatát jelenti. Lézerrel szilícium-dioxidból vagy üvegből készült mikrolövedékeket lőnek ki a kérdéses anyag vékony filmjére. Lézeres ablációval a lézer nagy nyomást hoz létre. hullám, amely a lövedékanyagot a mintába nyomja.
A kutatók a módszert először a nanokompozit egy típusának elemzésére használták, amelyet polimerrel ojtott nanorészecskés polimetakrilát (npPMA) kompozitnak neveznek. Szilícium-dioxid nanorészecskékből áll, amelyek széles körben használhatók, beleértve a golyóálló mellényeket is. Lézerek 100-400 méter/másodperc sebességgel hajtják a mikrobombákat a célanyag felé, becsapódásukat pedig videokamerával mérik.
A kutatók az npPMA-n kapott méréseket további matematikai elemzésekkel, valamint a kutatási irodalomból származó anyagokra vonatkozó meglévő adatokkal kombinálták, hogy a mikrobomba-tesztek eredményeit összefüggésbe hozzák a nagyobb becsapódások becsapódásaival. Mivel az npPMA egy új anyag, amelyet nem könnyű előállítani, elemzésüket kiterjesztették egy gyakrabban használt vegyületre (polikarbonátra), amelyet széles körben használnak golyóálló üvegként.
A szakirodalmi eredmények, a méretelemzés és a LIPIT módszertana kombinációjával a kutatók be tudták mutatni, hogy egy anyag átszúrási ellenállása korrelál azzal a maximális igénybevétellel, amelyet az anyag a törés előtt elvisel (azaz a tönkremeneteli feszültséggel). Ez megkérdőjelezi a ballisztikai teljesítmény jelenlegi felfogását, amelyről gyakran úgy gondolják, hogy azzal függ össze, hogy a nyomáshullám hogyan halad át az anyagon.
Új módszerük lehetővé teszi, hogy meghatározzák egy anyag szilárdsági határát, vagy azt, hogy mekkora feszültséget és nyomást tud elviselni anélkül, hogy előzetesen közvetlenül meg kellene mérni ezeket a tulajdonságokat, ami segít optimalizálni, hogy milyen anyagokat válasszunk egy kísérletben. Ez lehetővé tette számukra, hogy olyan anyagokat fedezzenek fel, mint a grafén, ami azt sugallja, hogy az anyag több vékony filmrétege használható ütésálló alkalmazásokhoz, hasonlóan a nagy teljesítményű polimerekhez.
Következő lépéseikhez a kutatók azt tervezik, hogy értékelik más új anyagok ballisztikai tulajdonságait, és megvizsgálják a különböző típusokat és konfigurációkat. Változtatják a mikrolövedékek méretét is, és kiterjesztik sebességtartományukat.
