Istraživači već dugo rade na pronalaženju novih materijala koji su bolje zaštićeni od proboja velikom brzinom, ali teško je povezati mikroskopske detalje obećavajućih novih materijala s njihovim stvarnim ponašanjem u stvarnom svijetu.
Kako bi riješili ovaj problem, istraživači s Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) osmislili su novu metodu koja koristi laserski emitirane projektile i podatke za pomoć u predviđanju mikroskopskih svojstava i ponašanja ciljnih materijala, prema članku u ACS Applied Materials & sučelja, LaserMade.com razumije. To se postiže korištenjem lasera visokog intenziteta za izbacivanje mikroprojektila pri brzini blizu zvuka na ciljni materijal, što je u ovom slučaju polimerni film koji predstavlja materijal otporan na probijanje koji se ispituje.
Razmjena energije između čestica i ispitivanog uzorka materijala analizira se na mikroskopskoj razini, a zatim se koristi metoda skaliranja za predviđanje otpornosti materijala na probijanje većeg visokoenergetskog projektila, poput metka. Na taj način, kombinirajući testiranje s metodama analize i skaliranja, znanstvenici mogu otkriti nove materijale otporne na probijanje. Novi program smanjuje potrebu za dugim nizom laboratorijskih eksperimenata koji koriste veće projektile i veće uzorke.
Kemičarka NIST-a Katherine Evans objašnjava: "Kada proučavate novi materijal za zaštitnu primjenu, s našim novim pristupom, možemo dobiti raniju ideju o tome jesu li njegova zaštitna svojstva vrijedna proučavanja."
Sintetiziranje malih količina novog polimera može biti prilično rutinsko u laboratorijskim eksperimentima; izazov je povećanje količine kako bi se ispitala njegova otpornost na probijanje - materijali izrađeni od novih sintetičkih polimera kod kojih je povećanje na dovoljne količine često nemoguće ili nepraktično.
Problem s balističkim testiranjem je taj što postoje dva koraka koja morate poduzeti u izradi novih materijala", rekao je Christopher Soles, inženjer za istraživanje materijala na NIST-u. Morate sintetizirati novi polimer za koji mislite da je bolji, a zatim ga povećati na razinu kilograma. Veliko postignuće ovog rada je to što smo iznenađujuće otkrili da se mikrobalističko testiranje može povećati i povezati s testiranjem velikih razmjera u stvarnom svijetu."
Tijekom studije, istraživači su koristili svoju metodu za procjenu nekoliko materijala, uključujući široko korištene spojeve balističkog stakla, nove nanokompozite i uzorke grafenskih materijala.
Metoda ispitivanja zove se LIPIT, što je kratica za "Laser Induced Projectile Impact Test". Koristi laser za ispaljivanje mikroprojektila napravljenog od silicijevog dioksida ili stakla u tanki film materijala od interesa. Laserskom ablacijom, laser proizvodi visoko- tlačni val koji gura materijal mikroprojektila u uzorak.
Istraživači su prvi upotrijebili metodu za analizu nanokompozita koji se naziva polimer-graftovani nanočestični polimetakrilatni (npPMA) kompozit. Sastoji se od nanočestica silicija i može se koristiti u širokom rasponu primjena, uključujući pancirne prsluke. Laser tjera mikro metke prema materijalu mete brzinom od 100 do 400 metara u sekundi, a kamera se koristi za mjerenje njihovog udara.
Istraživači su kombinirali mjerenja dobivena na npPMA s dodatnom matematičkom analizom, zajedno s dostupnim podacima o materijalu iz istraživačke literature, kako bi povezali rezultate ispitivanja mikrobalasta s udarom u većem udaru. Budući da je npPMA novi materijal koji nije lako proizvesti, proširili su svoju analizu kako bi uključili spoj koji se češće koristi (polikarbonat), koji se naširoko koristi kao staklo otporno na metke.
Koristeći kombinaciju literaturnih rezultata, dimenzionalne analize i LIPIT-ove metodologije, istraživači su uspjeli pokazati da je otpornost materijala na probijanje povezana s maksimalnim naprezanjem koje materijal može izdržati prije loma (tj. naprezanje sloma). Ovo dovodi u pitanje trenutno razumijevanje balističkih performansi, za koje se obično smatra da su povezani s načinom na koji valovi pritiska prolaze kroz materijal.
Njihova nova metoda može odrediti granicu čvrstoće materijala, ili koliko naprezanja i pritiska može izdržati, bez izravnog mjerenja tih svojstava unaprijed, što pomaže optimizirati koje materijale odabrati u eksperimentu. To im je omogućilo istraživanje materijala kao što je grafen, što sugerira da bi se više slojeva tankog filma materijala moglo koristiti za aplikacije otporne na udarce, slično polimerima visokih performansi.
Za sljedeći korak, istraživači planiraju procijeniti balistička svojstva drugih novih materijala i proučavati različite vrste i konfiguracije. Također će mijenjati veličinu mikrobombi i proširiti njihov raspon brzina.
