Forskere udvikler model til lettere rustning

US Army Research Laboratory arbejder på at udvikle nye lette keramiske materialer, der modstår brud, og har slået sig sammen med forskere fra University of Florida for bedre at forstå præcis, hvordan disse materialer, som er velegnet til soldater personlig beskyttelse og hærsystemer, knoglebrud, og hvordan de kan forbedres yderligere. De fokuserer på fiasko gennem cracking; materialet desintegrerer til sidst til en granulær-lignende tilstand gennem en proces kaldet findeling.

"Mens forskellige keramiske materialer har høj hårdhed, de svigter let, når de trækkes fra hinanden. Det er, når de udsættes for trækkræfter. Mængden af ​​spændinger, som disse materialer kan modstå før fejl, er en lille brøkdel af den kompression, de kan modstå. Som resultat, højhastighedspåvirkning af kugler og fragmenter forårsager omfattende revner og fragmentering af materialet, reducere dens evne til fuldt ud at udnytte dens overlegne hårdhed til at modstå komplekse stresstilstande genereret af stødhændelsen, " forklarede Dr. Sikhanda Satapathy, af ARL's Soldier Protection Sciences-afdeling.

Traditionelt, forholdet mellem det granulære materiales evne til at modstå kompression og dets evne til at modstå forskydningsdeformation, som får materiale til at ændre form er blevet beskrevet af Mohr-Coulomb modellen. Denne model tilnærmer materialets modstand mod forskydningsdeformation (forskydningsstyrke) som en lineær funktion af påført tryk. I virkeligheden, forskydningsstyrken øges ikke lineært med tryk og vil mættes ved høje tryk.

UF-forskerne udviklede en ny model, der beskriver det granulære materialerespons mere præcist ved at studere den stresstilstand, hvor en række keramiske materialer fejler, som rapporteret i litteraturen af ​​forskellige forskerhold.

ARL og UF-teamet samarbejdede om at anvende denne forbedrede granulære responsmodel i forbindelse med en dynamisk kavitetsudvidelsesmodelleringsramme for at fange keramikkens respons på den komplekse slag-inducerede stresstilstand, der inkluderer kompression, spænding og forskydning. Den dynamiske kavitetsudvidelsesmodelleringsramme bruger det tryk, der kræves for at udvide et hulrum i et intakt materiale for at karakterisere dets evne til at modstå dyb penetration. Dette pres, selvfølgelig, er afhængig af, hvordan materialet reagerer på kompression, spændings- og forskydningskræfter. På grund af anvendeligheden af ​​denne nye model til en bred klasse af keramik, behovet for dyre eksperimenter til at karakterisere penetrationsrespons er væsentligt reduceret. Den nye penetrationsmodel forbedrer forståelsen af, hvordan skør keramik reagerer på høj slagspænding ved at sprække og findele til granuleret materiale, og øger modelleringsevnen for penetrationshændelser.

Den forbedrede model har vist sig bedre at forudsige modstanden af ​​en bred vifte af keramiske mål, når den bliver beskudt af et langstangsprojektiler med hastigheder op til 3 km/s. De vigtige materialeparametre for gennemtrængningsevnen for et keramisk mål er blevet identificeret gennem denne samarbejdsindsats, som vil guide, hvordan fejlprocesserne i keramik kan styres gennem forbedret materialedesign eller gennem en multi-materiale system tilgang.

"Forståelse af mekanikken bag materialerespons på projektilpåvirkningsgenererede stressforhold er afgørende i denne forskning, " sagde Satapathy. Forskningen vil blive vist i International Journal of Solids and Structures .