Pētnieki jau ilgu laiku ir strādājuši, lai atrastu jaunus materiālus, kas ir labāk aizsargāti pret ātrgaitas caurduršanu, taču ir grūti savienot daudzsološo jauno materiālu mikroskopiskās detaļas ar to faktisko uzvedību reālajā pasaulē.
Lai risinātu šo problēmu, Nacionālā standartu un tehnoloģiju institūta (NIST) pētnieki ir izstrādājuši jaunu metodi, kas izmanto lāzera izstarotos šāviņus un datus, lai palīdzētu prognozēt mērķa materiālu mikroskopiskās īpašības un uzvedību, teikts ACS Applied Materials rakstā. un saskarnes, LaserMade.com saprot. Tas tiek darīts, izmantojot augstas intensitātes lāzeru, lai izmestu mikrolādiņu ar tuvu skaņas ātrumu mērķa materiālam, kas šajā gadījumā ir polimēra plēve, kas attēlo pārduramo materiālu, kas ir jāpārbauda.
Enerģijas apmaiņa starp daļiņām un pārbaudītā materiāla paraugu tiek analizēta mikroskopiskā līmenī, un pēc tam tiek izmantota mērogošanas metode, lai prognozētu materiāla izturību pret lielāka augstas enerģijas šāviņa, piemēram, lodes, caurduršanu. Tādā veidā, apvienojot testēšanu ar analīzes un mērogošanas metodēm, zinātnieki var atklāt jaunus pret caurduršanu izturīgus materiālus. Jaunā programma samazina nepieciešamību pēc ilgstošas laboratorijas eksperimentu sērijas, izmantojot lielākus šāviņus un lielākus paraugus.
NIST ķīmiķe Ketrīna Evansa skaidro: "Kad jūs pētāt jaunu materiālu aizsardzības lietojumam, izmantojot mūsu jauno pieeju, mēs varam iegūt agrāku priekšstatu par to, vai tā aizsargājošās īpašības ir vērts pētīt."
Jauna polimēra nelielu daudzumu sintezēšana laboratorijas eksperimentos var būt diezgan ierasta lieta; izaicinājums ir palielināt daudzumu, lai pārbaudītu tā izturību pret caurduršanu — materiāliem, kas izgatavoti no jauniem sintētiskiem polimēriem, kuru palielināšana līdz pietiekamam daudzumam bieži ir neiespējama vai nepraktiska.
Problēma ar ballistisko testēšanu ir tāda, ka, veidojot jaunus materiālus, ir jāveic divi soļi," sacīja Kristofers Sols, NIST materiālu pētniecības inženieris. Jums ir jāsintezē jauns polimērs, kas, jūsuprāt, ir labāks, un pēc tam tas jāpalielina. Līdz kilograma līmenim. Lielais šī darba sasniegums ir tas, ka mēs pārsteidzoši atklājām, ka mikroballistisko testēšanu var palielināt un saistīt ar reālās pasaules liela mēroga testēšanu."
Pētījuma laikā pētnieki izmantoja savu metodi, lai novērtētu vairākus materiālus, tostarp plaši izmantotos ballistisko stikla savienojumus, jaunus nanokompozītus un grafēna materiālu paraugus.
Testa metodi sauc par LIPIT, kas apzīmē "lāzera izraisītu šāviņu trieciena testu. Tā izmanto lāzeru, lai no silīcija dioksīda vai stikla izgatavotu mikrolādiņu izšauj plānā interesējošā materiāla plēvē. Izmantojot lāzera ablāciju, lāzers rada augstu spiediena vilnis, kas iespiež mikrolādiņu materiālu paraugā.
Pētnieki pirmo reizi izmantoja šo metodi, lai analizētu nanokompozītu, ko sauc par polimēru potētu nanodaļiņu polimetakrilāta (npPMA) kompozītu. Tas sastāv no silīcija dioksīda nanodaļiņām, un to var izmantot plašā pielietojuma klāstā, tostarp ložu necaurlaidīgās vestēs. Lāzers virza mikrolodes pret mērķa materiālu ar ātrumu no 100 līdz 400 metriem sekundē, un to trieciena mērīšanai tiek izmantota kamera.
Pētnieki apvienoja npPMA mērījumus ar papildu matemātisko analīzi, kā arī pieejamajiem datiem par materiālu no pētnieciskās literatūras, lai saistītu mikrobalasta testu rezultātus ar ietekmi lielākā triecienā. Tā kā npPMA ir jauns materiāls, kuru nav viegli izgatavot, viņi paplašināja savu analīzi, iekļaujot biežāk lietotu savienojumu (polikarbonātu), ko plaši izmanto kā ložu necaurlaidīgu stiklu.
Izmantojot literatūras rezultātus, izmēru analīzi un LIPIT metodoloģiju, pētnieki varēja pierādīt, ka materiāla pretestība caurduršanai ir saistīta ar maksimālo spriegumu, ko materiāls var izturēt pirms lūzuma (ti, atteices spriegumu). Tas izaicina pašreizējo izpratni par ballistisko veiktspēju, kas parasti ir saistīta ar to, kā spiediena viļņi iziet cauri materiālam.
Viņu jaunā metode var noteikt materiāla stiprības robežu vai to, cik lielu spriedzi un spiedienu tas var izturēt, iepriekš tieši neizmērot šīs īpašības, kas palīdz optimizēt, kurus materiālus izvēlēties eksperimentā. Tas ļāva viņiem izpētīt tādus materiālus kā grafēns, kas liecina, ka vairākus materiāla plānas kārtiņas slāņus varētu izmantot triecienizturīgiem lietojumiem, līdzīgi kā augstas veiktspējas polimēriem.
Nākamajā solī pētnieki plāno novērtēt citu jaunu materiālu ballistiskās īpašības un pētīt dažādus veidus un konfigurācijas. Tie arī mainīs mikrobumbu izmērus un paplašinās to ātruma diapazonu.
