基于激光的方法可以帮助发现小说厚的防穿刺软材料

一颗子弹穿防护装甲的第一响应者,水母刺一个游泳运动员,陨石引人注目的一个卫星:高速炮弹击穿材料出现在许多形式。研究人员不断的目标识别新材料,可以更好地抵抗这些高速穿刺的事件,但它已经很难连接一个有前途的新材料的微观细节,其实际行为在现实世界的情况下。

为了解决这个问题,研究人员在国家标准与技术研究院(NIST)的设计方法,使用高强度激光微尺度炮弹爆炸成一个小样本的速度接近音速。系统分析了粒子之间的能量交换和感兴趣的样品在微观层面上然后使用扩展方法预测材料的耐撞击对更大的精力充沛的炮弹,如子弹中遇到实际情况。这个新方法,描述在《ACS应用材料&接口,减少了需要执行一系列漫长的实验与更大的炮弹和更大的样本。

“当你调查新材料对其保护的应用程序,你不想浪费时间,金钱和精力在扩大您的测试如果材料不成功。与我们的新方法我们可以看到早些时候是否值得调查材料的防护性能,“NIST化学家凯瑟琳·埃文斯说。

在实验室实验中,少量的合成新的聚合物——例如,几毫克咖啡杯大小的玻璃器皿,可以相当例行公事。挑战有扩大生产公斤的材料能够测试其穿刺阻力。新材料制成的合成聚合物,足够数量的扩大或实际往往是不可能的。

“弹道测试的问题是,你必须采取两个步骤在进行新材料。你需要合成一个新的聚合物,你认为会更好,然后到公斤规模大小。这是一个大的飞跃。这个工作的最大成就是,我们惊人的显示micro-ballistic测试可以扩展,与现实世界的大规模测试,“说NIST材料研究工程师克里斯托弗鞋底。

在研究过程中,研究人员用他们的方法来评估一些材料,包括广泛使用复合防弹玻璃,一种新颖的纳米复合材料,和强、全碳材料石墨烯。

测试被称为LIPIT,即激光弹冲击测试。它使用激光发射microprojectile石英或玻璃制成的薄膜材料的兴趣。通过这一过程被称为激光消融,激光创建一个高压波推动microprojectile材料样本。

研究人员第一次使用分析纳米复合材料的方法称为polymer-grafted纳米聚甲基丙烯酸酯(npPMA)复合材料。它由硅纳米粒子可能是有用的在一个广泛的应用程序包括防弹衣。激光推动microprojectiles在从100年到400米每秒的速度目标材料使用摄像机和措施的影响。

研究人员连接microprojectile测试的结果会发生什么大规模的影响相结合测量他们在npPMA获得额外的数学分析同时结合现有研究文献的数据材料。自npPMA是一种新型的材料和不容易,他们扩大他们的分析还包括一个更常见的化合物称为聚碳酸酯,广泛用作一种防弹玻璃。

使用文献结果的组合方法,量纲分析和LIPIT允许研究人员表明,材料的耐撞击与最大应力的材料可以在休息,叫做失败的压力。这挑战当前对弹道性能的理解,这是通常被认为是有关压力波通过材料。

他们的新方法可以确定材料的强度极限,它可以处理多少压力和压力,而不需要事先直接测量这些属性,这可以帮助优化选择实验材料。这使他们能够探索材料,如石墨烯,这表明,多个膜层的材料可用于耐冲击应用程序类似于高性能聚合物。

“这新模式给了我们一个新的实验工具来评估这些石墨烯的炒作和其他二维材料,预计将有良好的弹道特性。我们有可能实验验证这些材料是否会超越经典弹道抗性材料聚碳酸酯,即使没有扩大的合成新颖的二维材料,鞋底表示:“这将是非常昂贵的。

他们的方法可以帮助识别新材料对于许多应用程序,如加法制造宇宙飞船保护,更好的保护装置对动物咬伤,甚至药物输送。研究人员正在调查开发针头注射高速流的流体称为液体喷射穿刺皮肤。虽然许多应用程序旨在避免穿刺,LIPIT可以提供见解在这种情况下,如何最有效地穿透皮肤使用液体射流作为炮弹。

下一步,研究人员追求的几个途径。他们计划评估额外的新颖材料的抗弹性能,看看不同类型和配置。他们还将不同大小的microprojectiles和扩大他们的速度范围。

NIST的研究人员也在寻求连接LIPIT两种类型的模拟实验结果。一个是有限元分析(FEA),中感兴趣的对象建模为一组简单的,相互联系的。有限元分析是传统上用来模拟整个样本的机械变形。有时研究人员可以执行一个有限元分析仿真的速度比一个实验室的实验。然而,最后仿真同意实验数据的实际材料,NIST的材料科学工程师埃德温Chan表示。

第二个叫做分子动力学(MD)模拟方法。这是一种模拟的规模要小得多,在分子水平上观察行为的材料,如聚合物。MD可以探索聚合物组件如弹丸打击后分子链变形材料。

“因为我们不能够直接看到聚合物链在做什么,MD是深刻的,因为它给了我们一个更好的主意为什么某些聚合物更耐冲击," Chan表示。

研究人员希望他们的方法打开许多新的可能性为研究材料的行为。

“通过这种方法,我们可以问,‘我们系统中其他的东西能改变,或者我们如何改善材料为特定应用程序?而不是改变材料的成分,你可以改变它的几何。或者你可以研究材料来自大自然,看看它的行为,”埃文斯说。

参考:埃文斯公里,陈SH、豪迈AJ Stranick SJ,鞋底CL,成龙EP。材料的弹穿孔阻力:伸缩薄膜宏观尺度材料的抗冲击性。ACS:板牙接口。2023年6月29日在线发表。doi:10.1021 / acsami.3c05130

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