Onderzoekers zijn al lang bezig om nieuwe materialen te vinden die beter beschermd 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 gebruikmaakt van door laser uitgezonden projectielen en gegevens om de microscopische eigenschappen en het gedrag van doelmaterialen te helpen voorspellen, volgens een artikel in ACS Applied Materials & Interfaces, begrijpt LaserMade.com. Dit wordt gedaan door een laser met hoge intensiteit te gebruiken om een microprojectiel met bijna de geluidssnelheid uit te werpen op een doelmateriaal, dat in dit geval een polymeerfilm is 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 wordt een schaalmethode gebruikt om de weerstand van het materiaal tegen doorboring door een groter hoogenergetisch projectiel, zoals een kogel, te voorspellen. Op deze manier kunnen wetenschappers, door testen te combineren met analyse- en schaalmethoden, 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 bestudeert voor een beschermende toepassing, kunnen we met onze nieuwe aanpak eerder een idee krijgen of de beschermende eigenschappen ervan de moeite waard zijn om te bestuderen."
Het synthetiseren van kleine hoeveelheden van een nieuw polymeer kan vrij routinematig zijn bij laboratoriumexperimenten; de uitdaging is het opschalen van de hoeveelheid om de lekbestendigheid te testen - materialen gemaakt van nieuwe synthetische polymeren waarbij opschalen naar voldoende hoeveelheden vaak onmogelijk of onpraktisch is.
Het probleem met ballistisch testen is dat er twee stappen zijn die je moet nemen om nieuwe materialen te maken", zegt Christopher Soles, een materiaalonderzoeksingenieur bij NIST. Je moet een nieuw polymeer synthetiseren waarvan je denkt dat het beter is, en het vervolgens opschalen. tot op kilogramniveau. De grote prestatie van dit werk is dat we verrassend genoeg ontdekten dat microballistische tests kunnen worden opgeschaald en gekoppeld aan real-world, grootschalige tests. "
Tijdens het onderzoek gebruikten de onderzoekers hun methode om verschillende materialen te evalueren, waaronder veelgebruikte ballistische glasverbindingen, nieuwe nanocomposieten en monsters van grafeenmaterialen.
De testmethode heet LIPIT, wat staat voor "Laser Induced Projectile Impact Test. Het gebruikt een laser om een microprojectiel gemaakt van silica of glas af te vuren in een dunne film van het materiaal van belang. Door middel van laserablatie produceert de laser een hoog- drukgolf die het microprojectielmateriaal in het monster duwt.
De onderzoekers gebruikten de methode eerst om een nanocomposiet genaamd polymeer-geënte nanodeeltjes polymethacrylaat (npPMA) composiet te analyseren. Het bestaat uit nanodeeltjes van siliciumdioxide en kan in een breed scala aan toepassingen worden gebruikt, waaronder kogelvrije vesten. Een laser stuwt de microkogels met snelheden van 100 tot 400 meter per seconde naar het doelmateriaal en een camera wordt gebruikt om hun impact te meten.
De onderzoekers combineerden de metingen verkregen op npPMA met aanvullende wiskundige analyse, samen met beschikbare gegevens over het materiaal uit de onderzoeksliteratuur, om de resultaten van de microballasttesten te relateren aan de impact in een grotere impact. 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-methodiek konden de onderzoekers aantonen dat de perforatieweerstand van het materiaal verband houdt met de maximale spanning die het materiaal kan weerstaan voordat het breekt (dwz faalspanning). Dit daagt het huidige begrip van ballistische prestaties uit, waarvan doorgaans wordt gedacht dat het verband houdt met hoe drukgolven door een materiaal gaan.
Hun nieuwe methode kan de sterktegrens van een materiaal bepalen, of hoeveel spanning en druk het kan weerstaan, zonder deze eigenschappen vooraf direct te meten, wat helpt bij het optimaliseren van de te kiezen materialen in een experiment. 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 de volgende stap zijn de onderzoekers van plan de ballistische eigenschappen van andere nieuwe materialen te evalueren en verschillende typen en configuraties te bestuderen. Ze zullen ook de grootte van de microbommen variëren en hun snelheidsbereik vergroten.
