Onderzoekers hebben lang gewerkt aan het vinden van nieuwe materialen die beter bestand zijn tegen lekke banden op hoge snelheid, maar het is moeilijk om de microscopische details van veelbelovende nieuwe materialen te koppelen aan hun daadwerkelijke gedrag in de echte wereld.
Om dit probleem aan te pakken, hebben onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) een nieuwe methode bedacht die gebruik maakt van laser-uitgezonden projectielen en gegevens om de microscopische eigenschappen en het gedrag van een doelmateriaal te helpen voorspellen, zoals blijkt uit een ACS Applied Materials & Interfaces artikel. Dit wordt gedaan door een laser met hoge intensiteit te gebruiken om microprojectielen af te schieten met snelheden die dicht bij de geluidssnelheid liggen op het doelmateriaal, in dit geval een polymeerfilm die het prikbestendige materiaal vertegenwoordigt dat moet worden getest.
De energie-uitwisseling tussen de deeltjes en het geteste materiaalmonster wordt op microscopisch niveau geanalyseerd en vervolgens worden schaalmethoden gebruikt om de weerstand van het materiaal tegen doorboring door een groter, energierijk projectiel, zoals een kogel, te voorspellen. Door testen te combineren met analyse- en schaalmethoden kunnen wetenschappers zomaar nieuwe prikbestendige materialen ontdekken. Het nieuwe programma vermindert de behoefte aan een lange reeks laboratoriumexperimenten met grotere projectielen en grotere monsters.
NIST-chemicus Katherine Evans legt uit: "Als je een nieuw materiaal onderzoekt voor een beschermende toepassing, kunnen we met onze nieuwe aanpak eerder leren of de beschermende eigenschappen ervan het onderzoeken waard zijn."
Het synthetiseren van kleine hoeveelheden van een nieuw polymeer kan vrij routinematig zijn in laboratoriumexperimenten; de uitdaging is het opschalen van de hoeveelheid om de lekbestendigheid te testen - materialen gemaakt van nieuwe synthetische polymeren, opschalen naar voldoende hoeveelheden is vaak onmogelijk of onpraktisch.
Het probleem met ballistisch testen is dat er twee stappen zijn die je moet nemen bij het maken van een nieuw materiaal", zegt Christopher Soles, een materiaalonderzoeksingenieur bij NIST. Je moet eerst een nieuw polymeer synthetiseren waarvan je denkt dat het beter is, en dan opschalen. het tot op kilogramniveau. De grote prestatie van dit werk is dat we verrassend genoeg hebben ontdekt dat microballistische testen kunnen worden opgeschaald en gekoppeld aan real-world, grootschalige testen. "
In de loop van het onderzoek evalueerden de onderzoekers verschillende materialen met behulp van hun methodologie, waaronder monsters van veelgebruikte ballistische glasverbindingen, nieuwe nanocomposieten en grafeenmaterialen.
De testmethode heet LIPIT, wat staat voor "laser-duced projectile impact testing. Het gebruikt een laser om microprojectielen gemaakt van silica of glas af te vuren in dunne films van het materiaal van belang. Door laserablatie genereert de laser een hoge druk golf die het projectielmateriaal in het monster duwt.
De onderzoekers gebruikten de methode eerst om een type nanocomposiet te analyseren, een composiet met polymeergeënte nanodeeltjes van polymethacrylaat (npPMA). Het bestaat uit silica-nanodeeltjes die in een breed scala aan toepassingen kunnen worden gebruikt, waaronder kogelvrije vesten. Lasers stuwen de microbommen naar het doelmateriaal met snelheden van 100 tot 400 meter per seconde, en een videocamera wordt gebruikt om hun impact te meten.
De onderzoekers combineerden de metingen verkregen op npPMA met aanvullende wiskundige analyses, samen met bestaande gegevens over het materiaal uit de onderzoeksliteratuur, om de resultaten van de microbomtesten te relateren aan de inslagen bij grotere inslagen. Omdat npPMA een nieuw materiaal is dat niet gemakkelijk te vervaardigen is, breidden ze hun analyse uit met een meer algemeen gebruikte verbinding (polycarbonaat), die veel wordt gebruikt als kogelvrij glas.
Met behulp van een combinatie van literatuurresultaten, dimensionale analyse en de LIPIT-methodologie konden de onderzoekers aantonen dat de perforatieweerstand van een materiaal correleert met de maximale spanning die het materiaal kan weerstaan voordat het breekt (dwz de bezwijkspanning). Dit daagt het huidige begrip van ballistische prestaties uit, waarvan vaak wordt gedacht dat het verband houdt met hoe een drukgolf door een materiaal gaat.
Met hun nieuwe methode kunnen ze de sterktegrens van een materiaal bepalen, of hoeveel spanning en druk het kan weerstaan, zonder deze eigenschappen vooraf direct te hoeven meten, wat helpt om te optimaliseren welke materialen in een experiment moeten worden gekozen. Hierdoor konden ze materialen zoals grafeen verkennen, wat suggereert dat meerdere dunne filmlagen van het materiaal kunnen worden gebruikt voor slagvaste toepassingen, vergelijkbaar met hoogwaardige polymeren.
Voor hun volgende stappen zijn de onderzoekers van plan de ballistische eigenschappen van andere nieuwe materialen te evalueren en verschillende soorten en configuraties te onderzoeken. Ze zullen ook de grootte van de microkogels variëren en hun snelheidsbereik vergroten.
