Forskare har länge arbetat med att hitta nya material som är bättre på att motstå höghastighetspunkteringar, men det är svårt att koppla de mikroskopiska detaljerna i lovande nya material till deras faktiska beteende i den verkliga världen.
För att ta itu med detta problem har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) tagit fram en ny metod som använder laserutsända projektiler och data för att hjälpa till att förutsäga de mikroskopiska egenskaperna och beteendet hos ett målmaterial, som visas i en ACS Applied Materials & Gränssnitt artikel. Detta görs genom att använda en högintensiv laser för att skjuta mikroprojektiler med hastigheter nära ljudets hastighet vid målmaterialet, vilket i det här fallet är en polymerfilm som representerar det punkteringsbeständiga materialet som ska testas.
Energiutbytet mellan partiklarna och det testade materialprovet analyseras på mikroskopisk nivå, och sedan används skalningsmetoder för att förutsäga materialets motståndskraft mot punktering av en större högenergiprojektil, till exempel en kula. Bara så, att kombinera testning med analys och skalningsmetoder gör det möjligt för forskare att upptäcka nya punkteringsresistenta material. Det nya programmet minskar behovet av en lång rad laboratorieexperiment med större projektiler och större prover.
NIST-kemist Katherine Evans förklarar, "När du undersöker ett nytt material för en skyddande applikation kan vi med vår nya metod lära oss tidigare om dess skyddande egenskaper är värda att undersöka."
Syntetisering av små mängder av en ny polymer kan vara ganska rutin i laboratorieexperiment; utmaningen är att skala upp kvantiteten för att testa dess punkteringsbeständighet - material gjorda av nya syntetiska polymerer, uppskalning till tillräckliga kvantiteter är ofta omöjligt eller opraktiskt.
Problemet med ballistiska tester är att det finns två steg du måste ta när du gör ett nytt material", säger Christopher Soles, materialforskningsingenjör vid NIST. Du måste först syntetisera en ny polymer som du tycker är bättre och sedan skala det upp till kilogramnivån. Den stora framgången med detta arbete är att vi överraskande fann att mikroballistiska tester kan skalas upp och kopplas till verkliga, storskaliga tester."
Under studiens gång utvärderade forskarna flera material med deras metodik, inklusive prover av mycket använda ballistiska glasföreningar, nya nanokompositer och grafenmaterial.
Testmetoden kallas LIPIT, vilket står för "laser-induced projectile impact testing. Den använder en laser för att avfyra mikroprojektiler gjorda av kiseldioxid eller glas till tunna filmer av materialet av intresse. Genom laserablation genererar lasern ett högt tryck våg som trycker in projektilmaterialet i provet.
Forskarna använde först metoden för att analysera en typ av nanokomposit som kallas en polymerympad nanopartikelpolymetakrylat (npPMA) komposit. Den består av kiseldioxidnanopartiklar som kan användas i ett brett spektrum av applikationer, inklusive skottsäkra västar. Lasrar driver mikrobomberna mot målmaterialet med hastigheter på 100 till 400 meter per sekund, och en videokamera används för att mäta deras påverkan.
Forskarna kombinerade mätningarna som erhållits på npPMA med ytterligare matematiska analyser, tillsammans med befintliga data om materialet från forskningslitteraturen, för att relatera resultaten från mikrobombtesterna till effekterna vid större nedslag. Eftersom npPMA är ett nytt material som inte är lätt att tillverka, utökade de sin analys till att omfatta en mer vanligt förekommande förening (polykarbonat), som ofta används som skottsäkert glas.
Med hjälp av en kombination av litteraturresultat, dimensionsanalys och LIPITs metodik kunde forskarna visa att ett material punkteringsmotstånd korrelerar med den maximala påkänning som materialet tål före brott (dvs brottspänningen). Detta utmanar den nuvarande förståelsen av ballistisk prestanda, som ofta tros vara relaterad till hur en tryckvåg passerar genom ett material.
Deras nya metod gör att de kan bestämma hållfasthetsgränsen för ett material, eller hur mycket stress och tryck det tål, utan att direkt behöva mäta dessa egenskaper i förväg, vilket hjälper till att optimera vilka material som ska väljas i ett experiment. Detta gjorde det möjligt för dem att utforska material som grafen, vilket tyder på att flera tunna filmlager av materialet kan användas för slagtåliga applikationer, liknande högpresterande polymerer.
För sina nästa steg planerar forskarna att utvärdera de ballistiska egenskaperna hos andra nya material och undersöka olika typer och konfigurationer. De kommer också att variera storleken på mikrokulorna och utöka deras hastighetsområde.
