Tyrėjai jau seniai ieško naujų medžiagų, kurios geriau atsispirtų didelės spartos pradūrimui, tačiau sunku susieti mikroskopines perspektyvių naujų medžiagų detales su jų elgesiu realiame pasaulyje.
Norėdami išspręsti šią problemą, Nacionalinio standartų ir technologijos instituto (NIST) mokslininkai sukūrė naują metodą, kuris naudoja lazeriu skleidžiamus sviedinius ir duomenis, padedančius numatyti tikslinės medžiagos mikroskopines savybes ir elgseną, kaip parodyta ACS taikomosiose medžiagose. & Sąsajos straipsnis. Tai atliekama naudojant didelio intensyvumo lazerį mikrosviediniams šaudyti greičiu, artimu garso greičiui į tikslinę medžiagą, kuri šiuo atveju yra polimerinė plėvelė, vaizduojanti pradūrimui atsparią medžiagą, kurią reikia išbandyti.
Energijos mainai tarp dalelių ir tiriamos medžiagos mėginio analizuojami mikroskopiniu lygmeniu, o tada mastelio keitimo metodais prognozuojamas medžiagos atsparumas pradūrimui didesnio, daug energijos turinčio sviedinio, pavyzdžiui, kulkos. Lygiai taip pat, derinant bandymus su analizės ir mastelio keitimo metodais, mokslininkai gali atrasti naujas pradūrimui atsparias medžiagas. Naujoji programa sumažina ilgų laboratorinių eksperimentų, naudojant didesnius sviedinius ir didesnius mėginius, poreikį.
NIST chemikė Katherine Evans paaiškina: „Kai tiriate naują medžiagą, skirtą apsauginiam naudojimui, taikydami naują metodą galime anksčiau sužinoti, ar verta ištirti jos apsaugines savybes.
Nedidelių naujo polimero kiekių sintezė laboratoriniuose eksperimentuose gali būti gana įprasta; iššūkis yra padidinti kiekį, kad būtų patikrintas jo atsparumas pradūrimui – iš naujų sintetinių polimerų pagamintų medžiagų padidinti iki pakankamo kiekio dažnai neįmanoma arba nepraktiška.
Balistinių bandymų problema yra ta, kad kurdami naują medžiagą turite atlikti du veiksmus", - sako Christopheris Solesas, NIST medžiagų tyrimų inžinierius. Pirmiausia turite susintetinti naują polimerą, kuris, jūsų nuomone, yra geresnis, o tada pakeisti mastelį. Puikus šio darbo pasiekimas yra tai, kad mes stebėtinai nustatėme, kad mikrobalistinius bandymus galima išplėsti ir susieti su realaus pasaulio didelio masto bandymais.
Tyrimo metu mokslininkai, naudodami savo metodiką, įvertino keletą medžiagų, įskaitant plačiai naudojamų balistinio stiklo junginių, naujų nanokompozitų ir grafeno medžiagų pavyzdžius.
Bandymo metodas vadinamas LIPIT, kuris reiškia "lazerio sukeltą sviedinio smūgio bandymą. Naudojant lazerį iš silicio dioksido arba stiklo pagaminti mikrosviediniai iššauna į plonas dominančios medžiagos plėveles. Lazerinės abliacijos būdu lazeris sukuria aukštą slėgį banga, kuri stumia sviedinį į mėginį.
Tyrėjai pirmą kartą panaudojo šį metodą nanokompozito tipo analizei, vadinamam polimeru skiepytų nanodalelių polimetakrilato (npPMA) kompozitu. Jį sudaro silicio dioksido nanodalelės, kurios gali būti naudojamos įvairiose srityse, įskaitant neperšaunamas liemenes. Lazeriai mikrobombas varo link tikslinės medžiagos 100–400 metrų per sekundę greičiu, o jų smūgiui matuoti naudojama vaizdo kamera.
Tyrėjai sujungė npPMA matavimus su papildomomis matematinėmis analizėmis, taip pat turimais duomenimis apie medžiagą iš mokslinių tyrimų literatūros, kad susietų mikrobombos bandymų rezultatus su didesnių smūgių poveikiu. Kadangi npPMA yra nauja medžiaga, kurią nėra lengva pagaminti, jie išplėtė savo analizę įtraukdami dažniau naudojamą junginį (polikarbonatą), kuris plačiai naudojamas kaip neperšaunamas stiklas.
Naudodami literatūros rezultatų, matmenų analizės ir LIPIT metodikos derinį, mokslininkai sugebėjo parodyti, kad medžiagos atsparumas pradūrimui koreliuoja su didžiausiu įtempimu, kurį medžiaga gali atlaikyti prieš lūžimą (ty gedimo įtempį). Tai kelia iššūkį dabartiniam balistinių savybių supratimui, kuris, kaip manoma, dažnai susijęs su slėgio bangos skverbimu per medžiagą.
Jų naujasis metodas leidžia nustatyti medžiagos stiprumo ribą arba, kiek ji gali atlaikyti įtempį ir slėgį, prieš tai tiesiogiai neišmatuojant šių savybių, o tai padeda optimizuoti, kurias medžiagas pasirinkti eksperimente. Tai leido jiems ištirti tokias medžiagas kaip grafenas, o tai rodo, kad keli ploni medžiagos sluoksniai gali būti naudojami smūgiams atspariems darbams, panašiai kaip didelio našumo polimerai.
Tolesniuose žingsniuose mokslininkai planuoja įvertinti kitų naujų medžiagų balistines savybes ir ištirti skirtingus tipus bei konfigūracijas. Jie taip pat keis mikrokulkų dydį ir išplės jų greičio diapazoną.
