Forskere har længe arbejdet på at finde nye materialer, der er bedre til at modstå højhastighedspunkteringer, men det er svært at forbinde de mikroskopiske detaljer ved lovende nye materialer til deres faktiske adfærd i den virkelige verden.
For at løse dette problem har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) udtænkt en ny metode, der bruger laserudsendte projektiler og data til at hjælpe med at forudsige de mikroskopiske egenskaber og opførsel af et målmateriale, som vist i en ACS Applied Materials & Interfaces artikel. Dette gøres ved at bruge en højintensiv laser til at skyde mikroprojektiler med hastigheder tæt på lydens hastighed ved målmaterialet, som i dette tilfælde er en polymerfilm, der repræsenterer det punkteringsbestandige materiale, der skal testes.
Energiudvekslingen mellem partiklerne og den testede materialeprøve analyseres på mikroskopisk niveau, og derefter bruges skaleringsmetoder til at forudsige materialets modstand mod punktering af et større højenergiprojektil, såsom en kugle. Lige sådan giver en kombination af test med analyse- og skaleringsmetoder forskerne mulighed for at opdage nye punkteringsbestandige materialer. Det nye program reducerer behovet for en lang række laboratorieforsøg med større projektiler og større prøver.
NIST-kemiker Katherine Evans forklarer: "Når du undersøger et nyt materiale til en beskyttende anvendelse, kan vi med vores nye tilgang lære tidligere, om dets beskyttende egenskaber er værd at undersøge."
Syntetisering af små mængder af en ny polymer kan være ret rutinepræget i laboratorieforsøg; udfordringen er at opskalere mængden for at teste dens punkteringsmodstand - materialer fremstillet af nye syntetiske polymerer, opskalering til tilstrækkelige mængder er ofte umuligt eller upraktisk.
Problemet med ballistisk test er, at der er to trin, du skal tage, når du laver et nyt materiale," siger Christopher Soles, en materialeforskningsingeniør hos NIST. Du skal først syntetisere en ny polymer, som du synes er bedre, og derefter skalere det op til kilogram niveau. Den store præstation af dette arbejde er, at vi overraskende fandt ud af, at mikroballistisk test kan skaleres op og kobles til virkelige, storskala test."
I løbet af undersøgelsen evaluerede forskerne flere materialer ved hjælp af deres metodologi, herunder prøver af udbredte ballistiske glasforbindelser, nye nanokompositter og grafenmaterialer.
Testmetoden kaldes LIPIT, som står for "laser-induced projectile impact testing. Den bruger en laser til at affyre mikroprojektiler lavet af silica eller glas ind i tynde film af materialet af interesse. Gennem laserablation genererer laseren et højtryk bølge, der skubber projektilmaterialet ind i prøven.
Forskerne brugte først metoden til at analysere en type nanokomposit kaldet en polymer-podet nanopartikel polymethacrylat (npPMA) komposit. Den består af silica nanopartikler, der kan bruges i en lang række applikationer, herunder skudsikre veste. Lasere driver mikrobomberne mod målmaterialet med hastigheder på 100 til 400 meter i sekundet, og et videokamera bruges til at måle deres påvirkning.
Forskerne kombinerede målingerne opnået på npPMA med yderligere matematiske analyser, sammen med eksisterende data om materialet fra forskningslitteraturen, for at relatere resultaterne af mikrobombetestene til påvirkningerne ved større påvirkninger. Da npPMA er et nyt materiale, der ikke er let at fremstille, udvidede de deres analyse til at omfatte en mere almindeligt anvendt forbindelse (polycarbonat), som er meget udbredt som skudsikkert glas.
Ved hjælp af en kombination af litteraturresultater, dimensionsanalyse og LIPIT's metodik var forskerne i stand til at påvise, at et materiales punkteringsmodstand korrelerer med den maksimale belastning, som materialet kan modstå før brud (dvs. brudspændingen). Dette udfordrer den nuværende forståelse af ballistisk ydeevne, som ofte menes at være relateret til, hvordan en trykbølge passerer gennem et materiale.
Deres nye metode giver dem mulighed for at bestemme styrkegrænsen for et materiale, eller hvor meget stress og tryk det kan modstå, uden at de skal måle disse egenskaber direkte på forhånd, hvilket er med til at optimere, hvilke materialer der skal vælges i et forsøg. Dette gjorde det muligt for dem at udforske materialer såsom grafen, hvilket tyder på, at flere tynde filmlag af materialet kunne bruges til slagfaste applikationer, svarende til højtydende polymerer.
For deres næste trin planlægger forskerne at evaluere de ballistiske egenskaber af andre nye materialer og undersøge forskellige typer og konfigurationer. De vil også variere størrelsen af mikrokuglerne og udvide deres hastighedsområde.
