Penyelidik telah lama berusaha untuk mencari bahan baharu yang lebih baik dalam menahan tusukan berkelajuan tinggi, tetapi sukar untuk menyambung butiran mikroskopik bahan baharu yang menjanjikan kepada tingkah laku sebenar mereka di dunia nyata.
Untuk menangani masalah ini, penyelidik di Institut Piawaian dan Teknologi Kebangsaan (NIST) telah mencipta kaedah baharu yang menggunakan peluru dan data yang dipancarkan laser untuk membantu meramalkan sifat mikroskopik dan kelakuan bahan sasaran, seperti yang ditunjukkan dalam Bahan Gunaan ACS Artikel & Antara Muka. Ini dilakukan dengan menggunakan laser berintensiti tinggi untuk menembak projektil mikro pada kelajuan yang hampir dengan kelajuan bunyi pada bahan sasaran, yang dalam kes ini adalah filem polimer yang mewakili bahan tahan tusukan yang akan diuji.
Pertukaran tenaga antara zarah dan sampel bahan yang diuji dianalisis pada tahap mikroskopik, dan kemudian kaedah penskalaan digunakan untuk meramalkan rintangan bahan terhadap tusukan oleh peluru yang lebih besar dan bertenaga tinggi, seperti peluru. Sama seperti itu, menggabungkan ujian dengan kaedah analisis dan penskalaan membolehkan saintis menemui bahan tahan tusukan baharu. Program baharu ini mengurangkan keperluan untuk siri eksperimen makmal yang panjang menggunakan peluru yang lebih besar dan sampel yang lebih besar.
Ahli kimia NIST, Katherine Evans menerangkan, "Apabila anda menyiasat bahan baharu untuk aplikasi perlindungan, dengan pendekatan baharu kami, kami boleh mengetahui lebih awal sama ada sifat perlindungannya patut disiasat."
Mensintesis sejumlah kecil polimer baharu boleh menjadi rutin dalam eksperimen makmal; cabarannya ialah meningkatkan kuantiti untuk menguji rintangan tusukannya - bahan yang diperbuat daripada polimer sintetik baharu, menskalakan sehingga kuantiti yang mencukupi selalunya mustahil atau tidak praktikal.
Masalah dengan ujian balistik ialah terdapat dua langkah yang perlu anda ambil semasa membuat bahan baharu," kata Christopher Soles, jurutera penyelidikan bahan di NIST. Anda perlu terlebih dahulu mensintesis polimer baharu yang anda fikir lebih baik, dan kemudian skala sehingga ke paras kilogram. Pencapaian hebat kerja ini ialah kami secara mengejutkan mendapati bahawa ujian mikrobalistik boleh ditingkatkan dan dikaitkan dengan ujian dunia sebenar, berskala besar."
Semasa menjalankan kajian, para penyelidik menilai beberapa bahan menggunakan metodologi mereka, termasuk sampel sebatian kaca balistik yang digunakan secara meluas, nanokomposit baharu, dan bahan graphene.
Kaedah ujian dipanggil LIPIT, yang bermaksud "ujian hentaman peluru akibat laser. Ia menggunakan laser untuk menembakkan projektil mikro yang diperbuat daripada silika atau kaca ke dalam filem nipis bahan yang diminati. Melalui ablasi laser, laser menghasilkan tekanan tinggi. gelombang yang menolak bahan peluru ke dalam sampel.
Para penyelidik mula-mula menggunakan kaedah untuk menganalisis sejenis nanokomposit yang dipanggil komposit polimer polimer zarah polimetakrilat (npPMA). Ia terdiri daripada nanopartikel silika yang boleh digunakan dalam pelbagai aplikasi, termasuk jaket kalis peluru. Laser mendorong bom mikro ke arah bahan sasaran pada kelajuan 100 hingga 400 meter sesaat, dan kamera video digunakan untuk mengukur impaknya.
Para penyelidik menggabungkan ukuran yang diperoleh pada npPMA dengan analisis matematik tambahan, bersama-sama dengan data sedia ada pada bahan daripada kesusasteraan penyelidikan, untuk mengaitkan keputusan ujian bom mikro dengan kesan dalam kesan yang lebih besar. Memandangkan npPMA ialah bahan baharu yang tidak mudah dihasilkan, mereka mengembangkan analisis mereka untuk memasukkan sebatian yang lebih biasa digunakan (polikarbonat), yang digunakan secara meluas sebagai kaca kalis peluru.
Menggunakan gabungan hasil kesusasteraan, analisis dimensi dan metodologi LIPIT, para penyelidik dapat menunjukkan bahawa rintangan tusukan bahan berkorelasi dengan tegasan maksimum yang boleh ditahan oleh bahan sebelum patah (iaitu, tekanan kegagalan). Ini mencabar pemahaman semasa tentang prestasi balistik, yang sering dianggap berkaitan dengan cara gelombang tekanan melalui bahan.
Kaedah baharu mereka membolehkan mereka menentukan had kekuatan sesuatu bahan, atau berapa banyak tekanan dan tekanan yang boleh ditahan, tanpa perlu mengukur secara langsung sifat-sifat ini terlebih dahulu, yang membantu mengoptimumkan bahan yang hendak dipilih dalam eksperimen. Ini membolehkan mereka meneroka bahan seperti graphene, yang mencadangkan bahawa beberapa lapisan filem nipis bahan boleh digunakan untuk aplikasi tahan hentaman, serupa dengan polimer berprestasi tinggi.
Untuk langkah seterusnya, penyelidik merancang untuk menilai sifat balistik bahan novel lain dan menyiasat pelbagai jenis dan konfigurasi. Mereka juga akan mengubah saiz peluru mikro dan mengembangkan julat halajunya.
