Forscher arbeiten seit langem daran, neue Materialien zu finden, die Hochgeschwindigkeitsdurchschlägen besser widerstehen können, aber es ist schwierig, die mikroskopischen Details vielversprechender neuer Materialien mit ihrem tatsächlichen Verhalten in der realen Welt in Verbindung zu bringen.
Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) eine neue Methode entwickelt, die laseremittierte Projektile und Daten nutzt, um die mikroskopischen Eigenschaften und das Verhalten eines Zielmaterials vorherzusagen, wie in einem ACS Applied Materials gezeigt & Schnittstellenartikel. Dies geschieht, indem ein hochintensiver Laser Mikroprojektile mit Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit auf das Zielmaterial schießt, bei dem es sich in diesem Fall um einen Polymerfilm handelt, der das zu prüfende durchstoßfeste Material darstellt.
Der Energieaustausch zwischen den Partikeln und der getesteten Materialprobe wird auf mikroskopischer Ebene analysiert, und anschließend werden Skalierungsmethoden verwendet, um die Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber einem Durchschlag durch ein größeres, energiereiches Projektil, beispielsweise eine Kugel, vorherzusagen. Genauso ermöglicht die Kombination von Tests mit Analyse- und Skalierungsmethoden den Wissenschaftlern die Entdeckung neuer durchstoßfester Materialien. Das neue Programm reduziert die Notwendigkeit einer langwierigen Reihe von Laborexperimenten mit größeren Projektilen und größeren Proben.
NIST-Chemikerin Katherine Evans erklärt: „Wenn Sie ein neues Material für eine Schutzanwendung untersuchen, können wir mit unserem neuen Ansatz früher herausfinden, ob seine Schutzeigenschaften eine Untersuchung wert sind.“
Die Synthese kleiner Mengen eines neuen Polymers kann in Laborexperimenten ziemlich routinemäßig sein; Die Herausforderung besteht darin, die Menge zu erhöhen, um ihre Durchstoßfestigkeit zu testen. Bei Materialien, die aus neuen synthetischen Polymeren hergestellt werden, ist eine Vergrößerung auf ausreichende Mengen oft unmöglich oder unpraktisch.
„Das Problem bei ballistischen Tests besteht darin, dass man bei der Herstellung eines neuen Materials zwei Schritte unternehmen muss“, sagt Christopher Soles, Materialforschungsingenieur am NIST. Man muss zunächst ein neues Polymer synthetisieren, das man für besser hält, und es dann skalieren Die große Errungenschaft dieser Arbeit besteht darin, dass wir überraschend herausgefunden haben, dass mikroballistische Tests skaliert und mit realen, groß angelegten Tests verknüpft werden können.“
Im Verlauf der Studie bewerteten die Forscher mit ihrer Methodik mehrere Materialien, darunter Proben weit verbreiteter ballistischer Glasverbindungen, neue Nanokomposite und Graphenmaterialien.
Die Testmethode heißt LIPIT und steht für „Laser-Induced Projectile Impact Testing“. Dabei werden Mikroprojektile aus Siliziumdioxid oder Glas mithilfe eines Lasers in dünne Schichten des interessierenden Materials abgefeuert. Durch Laserablation erzeugt der Laser einen hohen Druck Welle, die das Projektilmaterial in die Probe drückt.
Die Forscher verwendeten die Methode zunächst, um eine Art Nanokomposit zu analysieren, das als polymergepfropftes Nanopartikel-Polymethacrylat-Komposit (npPMA) bezeichnet wird. Es besteht aus Silica-Nanopartikeln, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können, unter anderem in kugelsicheren Westen. Mit Lasern werden die Mikrobomben mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 400 Metern pro Sekunde auf das Zielmaterial geschossen, ihre Wirkung wird mit einer Videokamera gemessen.
Die Forscher kombinierten die an npPMA gewonnenen Messungen mit zusätzlichen mathematischen Analysen sowie vorhandenen Daten zum Material aus der Forschungsliteratur, um die Ergebnisse der Mikrobombentests mit den Einschlägen bei größeren Einschlägen in Beziehung zu setzen. Da es sich bei npPMA um ein neues Material handelt, das nicht einfach herzustellen ist, erweiterten sie ihre Analyse um eine häufiger verwendete Verbindung (Polycarbonat), die häufig als Panzerglas verwendet wird.
Mithilfe einer Kombination aus Literaturergebnissen, Dimensionsanalysen und der LIPIT-Methodik konnten die Forscher zeigen, dass die Durchstoßfestigkeit eines Materials mit der maximalen Belastung korreliert, der das Material vor dem Bruch standhalten kann (d. h. der Versagensbelastung). Dies stellt das derzeitige Verständnis der ballistischen Leistung in Frage, von der oft angenommen wird, dass sie damit zusammenhängt, wie eine Druckwelle ein Material durchdringt.
Mit ihrer neuen Methode können sie die Festigkeitsgrenze eines Materials bestimmen, also wie viel Spannung und Druck es aushalten kann, ohne diese Eigenschaften vorher direkt messen zu müssen, was dabei hilft, die Materialauswahl in einem Experiment zu optimieren. Dies ermöglichte es ihnen, Materialien wie Graphen zu erforschen, was darauf hindeutet, dass mehrere dünne Filmschichten des Materials für schlagfeste Anwendungen verwendet werden könnten, ähnlich wie bei Hochleistungspolymeren.
Als nächste Schritte planen die Forscher, die ballistischen Eigenschaften anderer neuartiger Materialien zu bewerten und verschiedene Typen und Konfigurationen zu untersuchen. Sie werden auch die Größe der Mikrogeschosse variieren und ihren Geschwindigkeitsbereich erweitern.
