Els investigadors fa temps que treballen per trobar nous materials que siguin millors per resistir les punxades d'alta velocitat, però és difícil connectar els detalls microscòpics de nous materials prometedors amb el seu comportament real al món real.
Per abordar aquest problema, els investigadors de l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia (NIST) han ideat un nou mètode que utilitza projectils i dades emesos per làser per ajudar a predir les propietats microscòpiques i el comportament d'un material objectiu, tal com es mostra en un ACS Applied Materials. & Interfícies article. Això es fa mitjançant l'ús d'un làser d'alta intensitat per disparar microprojectils a velocitats properes a la velocitat del so al material objectiu, que en aquest cas és una pel·lícula de polímer que representa el material resistent a la punxada a provar.
L'intercanvi d'energia entre les partícules i la mostra de material provada s'analitza a nivell microscòpic, i després s'utilitzen mètodes d'escala per predir la resistència del material a la punxada per un projectil més gran i d'alta energia, com ara una bala. Així, la combinació de proves amb mètodes d'anàlisi i escala permet als científics descobrir nous materials resistents a la punxada. El nou programa redueix la necessitat d'una llarga sèrie d'experiments de laboratori amb projectils més grans i mostres més grans.
La química del NIST Katherine Evans explica: "Quan investigueu un material nou per a una aplicació de protecció, amb el nostre nou enfocament podem saber abans si val la pena investigar les seves propietats protectores".
Sintetitzar petites quantitats d'un nou polímer pot ser força habitual en experiments de laboratori; el repte és augmentar la quantitat per provar la seva resistència a la punxada: els materials fets amb nous polímers sintètics, augmentar a quantitats suficients sovint és impossible o poc pràctic.
El problema de les proves balístiques és que hi ha dos passos que has de fer quan es fa un material nou", diu Christopher Soles, enginyer d'investigació de materials del NIST. Primer has de sintetitzar un nou polímer que creguis millor i després escalar. El gran èxit d'aquest treball és que sorprenentment hem trobat que les proves microbalístiques es poden ampliar i enllaçar amb proves a gran escala del món real".
Durant el transcurs de l'estudi, els investigadors van avaluar diversos materials utilitzant la seva metodologia, incloses mostres de compostos de vidre balístic àmpliament utilitzats, nous nanocomposites i materials de grafè.
El mètode de prova s'anomena LIPIT, que significa "assaig d'impacte de projectils induït per làser. Utilitza un làser per disparar microprojectils de sílice o vidre en pel·lícules primes del material d'interès. Mitjançant l'ablació làser, el làser genera una pressió alta. ona que empeny el material del projectil a la mostra.
Els investigadors van utilitzar per primera vegada el mètode per analitzar un tipus de nanocompost anomenat compost de polimetacrilat de nanopartícules empeltats amb polímers (npPMA). Consisteix en nanopartícules de sílice que es poden utilitzar en una àmplia gamma d'aplicacions, incloses armilles antibales. Els làsers propulsen les microbombes cap al material objectiu a velocitats de 100 a 400 metres per segon, i s'utilitza una càmera de vídeo per mesurar el seu impacte.
Els investigadors van combinar les mesures obtingudes en npPMA amb anàlisis matemàtiques addicionals, juntament amb les dades existents sobre el material de la literatura de recerca, per relacionar els resultats de les proves de microbombes amb els impactes en impactes més grans. Atès que npPMA és un material nou que no es fabrica fàcilment, van ampliar la seva anàlisi per incloure un compost més utilitzat (policarbonat), que s'utilitza àmpliament com a vidre antibales.
Mitjançant una combinació de resultats de la literatura, anàlisi dimensional i la metodologia de LIPIT, els investigadors van poder demostrar que la resistència a la punxada d'un material es correlaciona amb la tensió màxima que el material pot suportar abans de la fractura (és a dir, la tensió de fallada). Això desafia la comprensió actual del rendiment balístic, que sovint es pensa que està relacionat amb com una ona de pressió passa a través d'un material.
El seu nou mètode els permet determinar el límit de resistència d'un material, o quanta tensió i pressió pot suportar, sense haver de mesurar directament aquestes propietats prèviament, la qual cosa ajuda a optimitzar quins materials triar en un experiment. Això els va permetre explorar materials com el grafè, la qual cosa suggereix que es podrien utilitzar múltiples capes de pel·lícula prima del material per a aplicacions resistents als impactes, similars als polímers d'alt rendiment.
Per als seus propers passos, els investigadors tenen previst avaluar les propietats balístiques d'altres materials nous i investigar diferents tipus i configuracions. També variaran la mida de les microbales i ampliaran el seu rang de velocitat.
