Nieuwe op laser gebaseerde methode kan wetenschappers helpen nieuwe prikbestendige materialen te ontdekken

Een kogel die het beschermende pantser van een eerstehulpverlener doorboort, een kwal die een zwemmer steekt, micrometeorieten die een satelliet raken: hogesnelheidsprojectielen die materialen doorboren, verschijnen in vele vormen. Onderzoekers proberen voortdurend nieuwe materialen te vinden die beter bestand zijn tegen deze snelle punctuurgebeurtenissen, maar het was moeilijk om de microscopische details van een veelbelovend nieuw materiaal te verbinden met zijn daadwerkelijke gedrag in praktijksituaties.

Om dit probleem aan te pakken, hebben onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) een methode ontworpen die een laser met hoge intensiteit gebruikt om projectielen op microschaal in een klein monster te blazen met snelheden die de geluidssnelheid benaderen. Het systeem analyseert de energie-uitwisseling tussen het deeltje en het betreffende monster op microniveau en gebruikt vervolgens schaalmethoden om de perforatieweerstand van het materiaal te voorspellen tegen grotere energetische projectielen, zoals kogels die in real-world situaties worden aangetroffen. Deze nieuwe methode, beschreven in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfacesvermindert de noodzaak om een ​​lange reeks laboratoriumexperimenten uit te voeren met grotere projectielen en grotere monsters.

“Als je een nieuw materiaal onderzoekt op zijn beschermende toepassingen, wil je geen tijd, geld en energie verspillen aan het opschalen van je tests als het materiaal niet werkt. Met onze nieuwe methode kunnen we eerder zien of het de moeite waard om een ​​materiaal te onderzoeken op zijn beschermende eigenschappen’, zegt NIST-chemicus Katherine Evans.

Tijdens laboratoriumexperimenten kan het vrij routinematig zijn om kleine hoeveelheden van een nieuw polymeer te synthetiseren, bijvoorbeeld een paar milligrammen uit glaswerk ter grootte van een koffiekopje. De uitdaging komt met opschalen om kilo’s materiaal te produceren om de lekbestendigheid te kunnen testen. Voor materialen gemaakt van nieuwe synthetische polymeren is opschaling naar voldoende hoeveelheden vaak niet mogelijk of praktisch.

“Het probleem met ballistische tests is dat je twee stappen moet nemen bij het maken van nieuwe materialen. Je moet een nieuw polymeer synthetiseren waarvan je denkt dat het beter zal zijn, en het vervolgens opschalen tot kilogramgrootte. Dat is een grote sprong. De grootste prestatie van dit werk is dat we verrassend genoeg laten zien dat de microballistische tests kunnen worden geschaald en gekoppeld aan grootschalige tests in de echte wereld, “zei NIST-materiaalonderzoeksingenieur Christopher Soles.

In de loop van het onderzoek gebruikten onderzoekers hun methode om verschillende materialen te evalueren, waaronder een veelgebruikte verbinding voor kogelvrij glas, een nieuwe nanocomposiet en het sterke, volledig koolstofmateriaal dat bekend staat als grafeen.

De test heet LIPIT, wat staat voor Laser-Induced Projectile Impact Testing. Het gebruikt lasers om een ​​microprojectiel gemaakt van silica of glas te lanceren in een dunne film van het betreffende materiaal. Door een proces dat laserablatie wordt genoemd, creëert de laser een hogedrukgolf die het microprojectielmateriaal naar het monster stuwt.

De onderzoekers gebruikten de methode eerst om een ​​nanocomposietmateriaal te analyseren dat bekend staat als polymeergeënte nanodeeltjes polymethacrylaat (npPMA) composiet. Het bestaat uit nanodeeltjes van siliciumdioxide die nuttig kunnen zijn in een breed scala aan toepassingen, waaronder kogelvrije vesten. De laser stuwt microprojectielen met snelheden van 100 tot 400 meter per seconde naar het doelmateriaal en meet hun impact met behulp van een videocamera.

Onderzoekers brachten de resultaten van de microprojectieltest in verband met wat er zou gebeuren bij inslagen op grotere schaal door de metingen die ze op de npPMA verkregen te combineren met aanvullende wiskundige analyse, terwijl ze bestaande gegevens over het materiaal uit de onderzoeksliteratuur incorporeerden. Omdat npPMA een nieuw materiaal is en niet gemakkelijk te maken, hebben ze hun analyse uitgebreid met een meer algemeen verkrijgbare verbinding die bekend staat als polycarbonaat, dat veel wordt gebruikt als kogelwerend glas.

Door de gecombineerde aanpak van het gebruik van literatuurresultaten, dimensionale analyse en LIPIT konden onderzoekers aantonen dat de perforatieweerstand van een materiaal gekoppeld is aan de maximale spanning die een materiaal kan verdragen voordat het breekt, de zogenaamde faalspanning. Dit daagt het huidige begrip van ballistische prestaties uit, waarvan doorgaans wordt gedacht dat het verband houdt met hoe drukgolven door het materiaal reizen.

Hun nieuwe aanpak kan de sterktegrenzen van een materiaal identificeren, of hoeveel spanning en druk het aankan, zonder deze eigenschappen vooraf direct te hoeven meten, wat kan helpen bij het optimaliseren van de te kiezen materialen in experimenten. Dit stelde hen vervolgens in staat om materialen zoals grafeen te verkennen, wat aantoonde dat meerdere filmlagen van het materiaal kunnen worden gebruikt in toepassingen met slagvastheid, vergelijkbaar met hoogwaardige polymeren.

“Dit nieuwe paradigma geeft ons een nieuw experimenteel hulpmiddel om de hype van sommige van deze grafeen en andere 2D-materialen te evalueren waarvan wordt voorspeld dat ze uitstekende ballistische eigenschappen hebben. We hebben het potentieel om experimenteel te verifiëren of deze materialen beter zouden presteren dan klassieke ballistisch resistente materialen zoals polycarbonaten. , zelfs zonder de synthese van nieuwe 2D-materialen op te schalen, wat onbetaalbaar zou zijn, “zei Soles.

Hun methode zou kunnen helpen bij het identificeren van nieuwe materialen voor veel toepassingen, zoals additive manufacturing, bescherming van ruimtevaartuigen, betere beschermende uitrusting tegen dierenbeten en zelfs medicijnafgifte. Onderzoekers onderzoeken de ontwikkeling van naaldloze injecties waarbij een snelle stroom vloeistof, bekend als een vloeistofstraal, de huid doorboort. Hoewel veel toepassingen gericht zijn op het voorkomen van lekke banden, kan LIPIT in dit geval inzicht geven in hoe de huid het meest effectief kan worden gepenetreerd met behulp van vloeistofstralen als projectielen.

Wat de volgende stappen betreft, volgen de onderzoekers verschillende wegen. Ze zijn van plan de ballistische weerstand van aanvullende nieuwe materialen te evalueren en naar de verschillende typen en configuraties te kijken. Ze zullen ook de grootte van de microprojectielen variëren en hun snelheidsbereik uitbreiden.

NIST-onderzoekers proberen ook de experimentele resultaten van LIPIT te koppelen aan twee soorten simulaties. Een daarvan is eindige-elementenanalyse (FEA), waarin het object van interesse wordt gemodelleerd als een groep eenvoudigere stukken die onderling verbonden zijn. FEA wordt traditioneel gebruikt om de mechanische vervorming van het gehele monster te simuleren. Soms kunnen onderzoekers een FEA-simulatie sneller uitvoeren dan een laboratoriumexperiment. Uiteindelijk moet de simulatie echter overeenkomen met experimentele gegevens over het daadwerkelijke materiaal, zei NIST-ingenieur materiaalkunde Edwin Chan.

De tweede simulatiebenadering wordt moleculaire dynamica (MD) genoemd. Dit is een soort simulatie die veel kleiner is, waarbij gekeken wordt naar het gedrag op moleculair niveau van materialen zoals polymeren. MD kan onderzoeken hoe polymeercomponenten zoals moleculaire ketens vervormen nadat een projectiel het materiaal raakt.

“Omdat we niet direct kunnen zien wat de polymeerketens doen, is MD inzichtelijk omdat het ons een beter idee geeft waarom bepaalde polymeren beter zijn voor slagvastheid”, zei Chan.

De onderzoekers verwachten dat hun methodologie veel nieuwe mogelijkheden opent om het gedrag van materialen te onderzoeken.

“Met deze benadering kunnen we ons afvragen:” Welke andere dingen in het systeem kunnen we veranderen, of hoe kunnen we een materiaal verbeteren voor specifieke toepassingen? “In plaats van de samenstelling van een materiaal te veranderen, zou je de geometrie ervan kunnen veranderen. Of je kunt bestudeer een materiaal uit de natuur en kijk hoe het zich gedraagt”, zei Evans.