Nieuw lichtgewicht supermateriaal kan kogels bestrijden, ruimtepuin afbuigen

Ingenieurs van de University of Wisconsin-Madison hebben een nanovezelmateriaal ontwikkeld dat beter presteert dan zijn veelgebruikte tegenhangers, waaronder stalen platen en Kevlar-weefsel, wat betreft bescherming tegen projectielinslagen met hoge snelheid.

Kortom, het is beter dan kogelvrij.

“Onze nanovezelmatten vertonen beschermende eigenschappen die andere materiaalsystemen ver overtreffen met een veel lager gewicht”, zegt Ramathasan Thevamaran, een UW-Madison-assistent-professor technische fysica die het onderzoek leidde.

Hij en zijn medewerkers hebben het voorschot gedetailleerd beschreven in een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd ACS Nano.

Om het materiaal te maken, mengden Thevamaran en postdoctoraal onderzoeker Jizhe Cai meerwandige koolstofnanobuisjes – koolstofcilinders van slechts één atoom dik in elke laag – met Kevlar-nanovezels. De resulterende nanovezelmatten zijn superieur in het afvoeren van energie van de impact van kleine projectielen die sneller bewegen dan de snelheid van het geluid.

De vooruitgang legt de basis voor het gebruik van koolstofnanobuisjes in lichtgewicht, hoogwaardige pantsermaterialen, bijvoorbeeld in kogelvrije vesten om de drager beter te beschermen of in schilden rond ruimtevaartuigen om schade door vliegend micropuin met hoge snelheid te beperken.

“Nanovezelmaterialen zijn zeer aantrekkelijk voor beschermende toepassingen omdat vezels op nanoschaal een uitstekende sterkte, taaiheid en stijfheid hebben in vergelijking met vezels op macroschaal”, zegt Thevamaran. “Mats van koolstofnanobuisjes hebben tot nu toe de beste energieabsorptie laten zien en we wilden zien of we hun prestaties verder konden verbeteren.”

Ze hebben de juiste chemie gevonden. Het team synthetiseerde Kevlar-nanovezels en verwerkte een kleine hoeveelheid ervan in hun koolstofnanobuismatten, die waterstofbruggen tussen de vezels creëerden. Die waterstofbruggen veranderden de interacties tussen de nanovezels en veroorzaakten, samen met precies de juiste mix van Kevlar-nanovezels en koolstofnanobuisjes, een dramatische sprong in de prestaties van het algehele materiaal.

“De waterstofbinding is een dynamische binding, wat betekent dat hij continu kan breken en opnieuw kan vormen, waardoor hij een grote hoeveelheid energie kan afvoeren door dit dynamische proces”, zegt Thevamaran. “Bovendien geven waterstofbruggen meer stijfheid aan die interactie, wat de nanovezelmat versterkt en verstijft. Toen we de interfaciale interacties in onze matten wijzigden door Kevlar-nanovezels toe te voegen, waren we in staat om bijna 100% verbetering in energiedissipatieprestaties te bereiken bij bepaalde supersonische inslagsnelheden.”

Kom maar op met de kogels. De onderzoekers testten hun nieuwe materiaal met behulp van een laser-geïnduceerd microprojectiel-impacttestsysteem in het laboratorium van Thevamaran. Het systeem is een van de weinige in de Verenigde Staten en gebruikt lasers om microkogels in de materiaalmonsters te schieten.

“Ons systeem is zo ontworpen dat we een enkele kogel onder een microscoop kunnen pakken en deze op een zeer gecontroleerde manier op het doel kunnen schieten, met een zeer gecontroleerde snelheid die kan worden gevarieerd van 100 meter per seconde tot meer dan 1 kilometer per seconde”, zegt Thevamaran. “Hierdoor konden we experimenten uitvoeren op een tijdschaal waarop we de reactie van het materiaal konden observeren – terwijl de interacties met waterstofbruggen plaatsvinden.”

Naast de slagvastheid is een ander voordeel van het nieuwe nanovezelmateriaal dat het, net als Kevlar, stabiel is bij zowel zeer hoge als zeer lage temperaturen, waardoor het bruikbaar is voor toepassingen in een groot aantal extreme omgevingen.