Forskare har länge arbetat med att hitta nya material som är bättre skyddade mot 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 målmaterial, enligt en artikel i ACS Applied Materials & Gränssnitt, förstår LaserMade.com. Detta görs genom att använda en högintensiv laser för att skjuta ut en mikroprojektil med nära ljudhastigheten mot ett målmaterial, vilket i detta fall 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 en skalningsmetod för att förutsäga materialets motståndskraft mot punktering av en större högenergiprojektil, till exempel en kula. På så sätt, genom att kombinera testning med analys- och skalningsmetoder, kan forskarna upptäcka nya punkteringsbeständiga material. Det nya programmet minskar behovet av en lång rad laboratorieexperiment med större projektiler och större prover.
NIST-kemist Katherine Evans förklarar, "När du studerar ett nytt material för en skyddande tillämpning, med vår nya metod, kan vi få en tidigare uppfattning om huruvida dess skyddande egenskaper är värda att studera."
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 tillverkade av nya syntetiska polymerer där uppskalning till tillräckliga kvantiteter ofta är omöjligt eller opraktiskt.
Problemet med ballistiska tester är att det finns två steg du måste ta för att göra nya material", säger Christopher Soles, materialforskningsingenjör vid NIST. Du måste syntetisera en ny polymer som du tycker är bättre och sedan skala upp den till kilogramnivån. Den stora bedriften med detta arbete är att vi överraskande fann att mikroballistiska tester kan skalas upp och kopplas till verkliga, storskaliga tester."
Under studien använde forskarna sin metod för att utvärdera flera material, inklusive mycket använda ballistiska glasföreningar, nya nanokompositer och prover av grafenmaterial.
Testmetoden kallas LIPIT, som står för "Laser Induced Projectile Impact Test. Den använder en laser för att avfyra en mikroprojektil gjord av kiseldioxid eller glas till en tunn film av materialet av intresse. Genom laserablation producerar lasern en hög- tryckvåg som trycker in mikroprojektilmaterialet i provet.
Forskarna använde först metoden för att analysera en nanokomposit som kallas polymerympad nanopartikelpolymetakrylat (npPMA) komposit. Den består av nanopartiklar av kiseldioxid och kan användas i ett brett spektrum av applikationer, inklusive skottsäkra västar. En laser driver mikrokulorna mot målmaterialet med hastigheter på 100 till 400 meter per sekund, och en kamera används för att mäta deras påverkan.
Forskarna kombinerade de mätningar som erhållits på npPMA med ytterligare matematisk analys, tillsammans med tillgängliga data om materialet från forskningslitteraturen, för att relatera resultaten från mikroballasttesterna till påverkan i en större påverkan. 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 påvisa att materialets punkteringsmotstånd är relaterat till den maximala påkänning som materialet tål före brott (dvs brottspänning). Detta utmanar den nuvarande förståelsen av ballistisk prestanda, som vanligtvis anses vara relaterad till hur tryckvågor passerar genom ett material.
Deras nya metod kan bestämma hållfasthetsgränsen för ett material, eller hur mycket stress och tryck det tål, utan att direkt 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 nästa steg planerar forskarna att utvärdera de ballistiska egenskaperna hos andra nya material och studera olika typer och konfigurationer. De kommer också att variera storleken på mikrobomberna och utöka deras hastighetsområde.
