Raziskovalci si že dolgo prizadevajo najti nove materiale, ki bi bili bolje zaščiteni pred hitrimi vbodi, vendar je težko povezati mikroskopske podrobnosti obetavnih novih materialov z njihovim dejanskim obnašanjem v resničnem svetu.
Da bi rešili to težavo, so raziskovalci na Nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo (NIST) razvili novo metodo, ki uporablja laserske izstrelke in podatke za pomoč pri napovedovanju mikroskopskih lastnosti in obnašanja ciljnih materialov, glede na članek v ACS Applied Materials & vmesniki, LaserMade.com razume. To se izvede z uporabo visokointenzivnega laserja za izstrelitev mikroprojektila pri hitrosti blizu zvoka na tarčni material, ki je v tem primeru polimerni film, ki predstavlja material, odporen proti vbodom, ki ga je treba testirati.
Izmenjava energije med delci in vzorcem testiranega materiala se analizira na mikroskopski ravni, nato pa se z metodo skaliranja napove odpornost materiala na prebadanje z večjim visokoenergijskim izstrelkom, kot je naboj. Na ta način lahko znanstveniki s kombiniranjem testiranja z analizami in metodami skaliranja odkrijejo nove materiale, odporne na predrtje. Novi program zmanjšuje potrebo po dolgem nizu laboratorijskih poskusov z uporabo večjih projektilov in večjih vzorcev.
Kemičarka NIST Katherine Evans pojasnjuje: "Ko preučujete nov material za zaščitno uporabo, lahko z našim novim pristopom dobimo zgodnejšo predstavo o tem, ali so njegove zaščitne lastnosti vredne preučevanja."
Sintetiziranje majhnih količin novega polimera je lahko v laboratorijskih poskusih precej rutinsko; izziv je povečanje količine, da se preizkusi njegova odpornost proti prebadanju – materiali, izdelani iz novih sintetičnih polimerov, kjer je povečanje zadostnih količin pogosto nemogoče ali nepraktično.
Težava pri balističnem testiranju je, da sta pri izdelavi novih materialov potrebna dva koraka," je dejal Christopher Soles, inženir za raziskave materialov pri NIST. Sintetizirati morate nov polimer, za katerega menite, da je boljši, in ga nato povečati Velik dosežek tega dela je, da smo presenetljivo ugotovili, da je mikrobalistično testiranje mogoče povečati in povezati z obsežnim testiranjem v resničnem svetu."
Med študijo so raziskovalci uporabili svojo metodo za ovrednotenje več materialov, vključno s široko uporabljenimi spojinami balističnega stekla, novimi nanokompoziti in vzorci grafenskih materialov.
Preskusna metoda se imenuje LIPIT, kar pomeni "Laser Induced Projectile Impact Test". Uporablja laser za izstrelitev mikroprojektila iz kremena ali stekla v tanek film materiala, ki nas zanima. Z lasersko ablacijo laser proizvede visoko tlačni val, ki potisne material mikroprojektila v vzorec.
Raziskovalci so to metodo najprej uporabili za analizo nanokompozita, imenovanega kompozit polimetakrilata s cepljenim nanodelcem (npPMA). Sestoji iz nanodelcev silicijevega dioksida in se lahko uporablja v številnih aplikacijah, vključno z neprebojnimi jopiči. Laser poganja mikro krogle proti ciljnemu materialu s hitrostjo od 100 do 400 metrov na sekundo, kamera pa se uporablja za merjenje njihovega vpliva.
Raziskovalci so združili meritve, pridobljene na npPMA, z dodatno matematično analizo, skupaj z razpoložljivimi podatki o materialu iz raziskovalne literature, da bi rezultate testov mikrobalasta povezali z vplivom v večjem vplivu. Ker je npPMA nov material, ki ga ni enostavno izdelati, so svojo analizo razširili na bolj pogosto uporabljeno spojino (polikarbonat), ki se pogosto uporablja kot neprebojno steklo.
Z uporabo kombinacije literaturnih rezultatov, dimenzijske analize in LIPIT-ove metodologije so raziskovalci lahko dokazali, da je odpornost materiala na prebadanje povezana z največjo obremenitvijo, ki jo material lahko prenese pred zlomom (tj. obremenitvijo zaradi porušitve). To izpodbija trenutno razumevanje balistične zmogljivosti, za katero se običajno misli, da je povezana s tem, kako tlačni valovi prehajajo skozi material.
Njihova nova metoda lahko določi mejo trdnosti materiala ali koliko obremenitev in pritiskov lahko prenese, ne da bi neposredno izmerili te lastnosti vnaprej, kar pomaga optimizirati, katere materiale izbrati v poskusu. To jim je omogočilo raziskovanje materialov, kot je grafen, kar nakazuje, da bi lahko uporabili več tankoslojnih plasti materiala za aplikacije, odporne na udarce, podobno kot visoko zmogljivi polimeri.
Za naslednji korak nameravajo raziskovalci oceniti balistične lastnosti drugih novih materialov in preučiti različne vrste in konfiguracije. Spreminjali bodo tudi velikost mikrobomb in razširili njihov razpon hitrosti.
