Forskere har længe arbejdet på at finde nye materialer, der er bedre beskyttet mod 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 målmaterialer, ifølge en artikel i ACS Applied Materials & Interfaces, forstår LaserMade.com. Dette gøres ved at bruge en højintensitetslaser til at udskyde et mikroprojektil ved næsten lydens hastighed ved et målmateriale, 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 en skaleringsmetode til at forudsige materialets modstand mod punktering af et større højenergiprojektil, såsom en kugle. På denne måde, ved at kombinere test med analyse- og skaleringsmetoder, kan forskerne 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 studerer et nyt materiale til en beskyttende anvendelse, kan vi med vores nye tilgang få en tidligere idé om, hvorvidt dets beskyttende egenskaber er værd at studere."
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, hvor opskalering til tilstrækkelige mængder ofte er umuligt eller upraktisk.
Problemet med ballistisk test er, at der er to trin, du skal tage for at lave nye materialer," sagde Christopher Soles, en materialeforskningsingeniør ved NIST. Du skal syntetisere en ny polymer, som du synes er bedre, og derefter skalere den op. til kilogram-niveau. Den store præstation af dette arbejde er, at vi overraskende fandt ud af, at mikroballistiske test kan skaleres op og kobles til virkelige, storskala test."
Under undersøgelsen brugte forskerne deres metode til at evaluere flere materialer, herunder udbredte ballistiske glasforbindelser, nye nanokompositter og prøver af grafenmaterialer.
Testmetoden kaldes LIPIT, som står for "Laser Induced Projectile Impact Test. Den bruger en laser til at affyre et mikroprojektil lavet af silica eller glas ind i en tynd film af materialet af interesse. Gennem laserablation producerer laseren en høj- trykbølge, der skubber mikroprojektilmaterialet ind i prøven.
Forskerne brugte først metoden til at analysere en nanokomposit kaldet polymer-podet nanopartikel polymethacrylat (npPMA) komposit. Den består af silica nanopartikler og kan bruges i en lang række applikationer, herunder skudsikre veste. En laser driver mikrokuglerne mod målmaterialet med hastigheder på 100 til 400 meter i sekundet, og et kamera bruges til at måle deres påvirkning.
Forskerne kombinerede målingerne opnået på npPMA med yderligere matematisk analyse, sammen med tilgængelige data om materialet fra forskningslitteraturen, for at relatere resultaterne af mikroballasttestene til påvirkningen i en større påvirkning. 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 LIPITs metodik kunne forskerne påvise, at materialets punkteringsmodstand er relateret til den maksimale belastning, materialet kan modstå før brud (dvs. brudspænding). Dette udfordrer den nuværende forståelse af ballistisk ydeevne, som typisk menes at være relateret til, hvordan trykbølger passerer gennem et materiale.
Deres nye metode kan bestemme styrkegrænsen for et materiale, eller hvor meget belastning og tryk det kan modstå, uden direkte at måle disse egenskaber på forhånd, hvilket er med til at optimere, hvilke materialer man skal vælge i et eksperiment. 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.
Til næste trin planlægger forskerne at evaluere de ballistiske egenskaber af andre nye materialer og studere forskellige typer og konfigurationer. De vil også variere størrelsen af mikrobomberne og udvide deres hastighedsområde.
