Araştırmacılar uzun süredir yüksek hızlı delinmelere karşı daha iyi direnen yeni malzemeler bulmak için çalışıyorlar, ancak gelecek vaat eden yeni malzemelerin mikroskobik ayrıntılarını gerçek dünyadaki gerçek davranışlarıyla ilişkilendirmek zor.
Bu sorunu çözmek için, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsündeki (NIST) araştırmacılar, ACS Uygulamalı Materyallerinde gösterildiği gibi, bir hedef malzemenin mikroskobik özelliklerini ve davranışını tahmin etmeye yardımcı olmak için lazerle yayılan mermileri ve verileri kullanan yeni bir yöntem geliştirdiler. & Arayüzler makalesi. Bu, hedef malzemede ses hızına yakın hızlarda mikro mermiler atmak için yüksek yoğunluklu bir lazer kullanılarak yapılır; bu durumda bu, test edilecek delinmeye dirençli malzemeyi temsil eden bir polimer filmdir.
Parçacıklar ve test edilen malzeme numunesi arasındaki enerji alışverişi mikroskobik düzeyde analiz edilir ve daha sonra malzemenin kurşun gibi daha büyük, yüksek enerjili bir mermi tarafından delinmeye karşı direncini tahmin etmek için ölçekleme yöntemleri kullanılır. Aynen bunun gibi, testi analiz ve ölçekleme yöntemleriyle birleştirmek, bilim adamlarının delinmeye dayanıklı yeni malzemeler keşfetmesine olanak tanır. Yeni program, daha büyük mermiler ve daha büyük numuneler kullanan uzun bir dizi laboratuvar deneyi ihtiyacını azaltıyor.
NIST kimyageri Katherine Evans, "Koruyucu bir uygulama için yeni bir malzeme araştırırken, yeni yaklaşımımızla, koruyucu özelliklerinin araştırmaya değer olup olmadığını daha erken öğrenebiliriz" diye açıklıyor.
Küçük miktarlarda yeni bir polimerin sentezlenmesi, laboratuvar deneylerinde oldukça rutin olabilir; Buradaki zorluk, delinme direncini test etmek için miktarı artırmaktır - yeni sentetik polimerlerden yapılan malzemeler, yeterli miktara çıkarmak genellikle imkansız veya pratik değildir.
Balistik testle ilgili sorun, yeni bir malzeme yaparken atmanız gereken iki adım olmasıdır" diyor NIST'de malzeme araştırma mühendisi olan Christopher Soles. Önce daha iyi olduğunu düşündüğünüz yeni bir polimeri sentezlemeniz ve ardından ölçeklendirmeniz gerekir. Bu çalışmanın en büyük başarısı, mikro balistik testlerin ölçeklendirilebileceğini ve gerçek dünya, büyük ölçekli testlerle ilişkilendirilebileceğini şaşırtıcı bir şekilde bulmamızdır."
Çalışma süresince araştırmacılar, yaygın olarak kullanılan balistik cam bileşikleri, yeni nanokompozitler ve grafen malzemeleri örnekleri dahil olmak üzere, metodolojilerini kullanarak çeşitli malzemeleri değerlendirdiler.
Test yöntemine, "lazerle indüklenen mermi darbe testi" anlamına gelen LIPIT adı verilir. Silika veya camdan yapılmış mikro mermileri ilgili malzemenin ince filmlerine ateşlemek için bir lazer kullanır. Lazer ablasyonu yoluyla, lazer yüksek basınç üretir. mermi malzemesini örneğin içine iten dalga.
Araştırmacılar bu yöntemi ilk olarak polimer aşılı nanopartikül polimetakrilat (npPMA) kompozit adı verilen bir tür nanokompoziti analiz etmek için kullandılar. Kurşun geçirmez yelekler de dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilen silika nanopartiküllerden oluşur. Lazerler, mikro bombaları saniyede 100 ila 400 metre hızlarda hedef malzemeye doğru itiyor ve etkilerini ölçmek için bir video kamera kullanılıyor.
Araştırmacılar, mikro bomba testlerinin sonuçlarını daha büyük etkilerdeki etkilerle ilişkilendirmek için npPMA'da elde edilen ölçümleri ek matematiksel analizlerle ve araştırma literatüründeki materyal hakkındaki mevcut verilerle birleştirdiler. npPMA kolayca üretilemeyen yeni bir malzeme olduğundan, kurşun geçirmez cam olarak yaygın olarak kullanılan daha yaygın kullanılan bir bileşiği (polikarbonat) içerecek şekilde analizlerini genişlettiler.
Literatür sonuçları, boyutsal analiz ve LIPIT'in metodolojisinin bir kombinasyonunu kullanan araştırmacılar, bir malzemenin delinme direncinin, malzemenin kırılmadan önce dayanabileceği maksimum gerilimle (yani kırılma gerilimi) ilişkili olduğunu gösterebildiler. Bu, genellikle bir basınç dalgasının bir malzemeden nasıl geçtiğiyle ilgili olduğu düşünülen mevcut balistik performans anlayışına meydan okuyor.
Yeni yöntemleri, bir malzemenin dayanıklılık sınırını veya bu özellikleri önceden doğrudan ölçmek zorunda kalmadan ne kadar stres ve basınca dayanabileceğini belirlemelerine olanak tanıyor ve bu da bir deneyde hangi malzemelerin seçileceğini optimize etmeye yardımcı oluyor. Bu, malzemenin çoklu ince film katmanlarının yüksek performanslı polimerlere benzer şekilde darbeye dayanıklı uygulamalar için kullanılabileceğini öne süren grafen gibi malzemeleri keşfetmelerine olanak sağladı.
Araştırmacılar, bir sonraki adımlarında diğer yeni malzemelerin balistik özelliklerini değerlendirmeyi ve farklı tür ve konfigürasyonları araştırmayı planlıyor. Ayrıca mikro mermilerin boyutunu değiştirecek ve hız aralıklarını genişletecekler.
