Forskere viser, at materialer styrkes af sig selv, når de påvirkes med meget høj hastighed

Forskere fra hæren og MIT avancerede en unik eksperimentel enhed for bedre at teste holdbarheden af ​​højtydende og robuste polymermaterialer, der ser ud til at styrke sig selv under angreb af hurtige stød.

Dr. Alex Hsieh, Army Research Laboratory, sammen med prof. Keith A. Nelson, Dr. David Veysset og Dr. Steven Kooi, fra Army's Institute for Soldier Nanotechnology ved MIT, opdaget, at når mål lavet af poly(urethan-urea) elastomerer eller PUU'er bliver ramt med meget høj hastighed af mikropartikler lavet af silica, PUU-målet viser hyperelastisk adfærd. Det er, de bliver ekstremt stive, når de deformeres ved belastningshastigheder i størrelsesordenen 108/s ? hvilket nogenlunde betyder, at målets materiale deformeres til halvdelen af ​​sin oprindelige tykkelse på ekstremt kort tid svarende til et sekund divideret med hundrede millioner. PUU'er vender også tilbage efter sammenstødet, sagde Hsieh.

Testenheden bruger en pulserende laser til at skyde kugler på størrelse med mikrometer mod mål lavet af PUU'er. Forskere fandt, for første gang, "adfærd, der står i høj grad i kontrast til stødresponsen observeret i en tværbundet polydimethylsiloxanelastomer, hvor mikropartikler trængte ind i målet, og målmaterialet ikke vendte tilbage eller kom sig fuldstændigt."

Forskere siger, at deres opdagelse af bulk-elastomerer kan hjælpe med at designe matrixmaterialer til kompositter til den fremtidige generation af U.S. Army-kamphjelme. Hærens forbedrede kamphjelm bruger højtydende, ultrahøj molekylvægt polyethylen eller UHMWPE fiberbaserede kompositter. Disse fibre har høj brudstyrke, pr. enhed tværsnitsareal, omkring femten gange stærkere end stål, men er fleksible som stoffer.

Traditionelle design af rustningsmaterialer inkluderer keramik, metaller og letvægtsfiberforstærkede kompositter til både soldater- og køretøjsbeskyttelse, som typisk er baseret på stivhed ? et materiales modstand mod deformation ? og sejhed? evnen til at absorbere energi og plastisk deformere før brud.

Men fra et materialevidenskabeligt perspektiv, disse standard bulk-metrikker alene er ikke tilstrækkelige til at kvantificere, hvor hurtigt molekyler i et fast polymert stof kan ændre deres mobilitet med hensyn til deformationshastigheden, ej heller tilbøjeligheden til en ændring af deres respektive fysiske tilstand under dynamisk deformation? dvs. kan elastomerer ændre sig fra gummilignende til glaslignende, når de deformeres med stigende høje hastigheder?

Hsieh sagde, at holdet fokuserede på polymerer, som består af et meget stort antal små molekylære enheder, der er spændt sammen for at danne meget lange kæder, som kan være godt organiseret eller tilfældigt pakket. Specifikt, polymermaterialer, der er stærke som slagfaste sikkerhedsbriller eller fleksible som gummi. Elastomerer er en klasse af menneskeskabte gummier, som kan syntetiseres fra en bred vifte af polymerkemier. "De har generelt lavt Youngs modul, hvilket betyder lav modstand mod elastisk deformation under belastning ved omgivende forhold, og højere fejlbelastning? evnen til at opretholde betydeligt større mængder belastning før fejl? end de fleste plastmaterialer, " forklarede han.

For yderligere at validere den molekylære påvirkning, holdet har udført omfattende undersøgelser af PUU'er sammen med en glasagtig polycarbonat. Mens polycarbonat er kendt for sin høje brudsejhed og ballistiske styrke, disse PUU'er, uanset deres respektive sammensætning, udviste større dynamisk afstivning under stød ved belastningshastigheder i størrelsesordenen 108/s. Desuden, modstanden mod indtrængning af mikropartiklen kan optimeres, dvs. en reduktion på ~ 50% i den gennemsnitlige maksimale gennemtrængningsdybde blev opnået ved blot at variere den molekylære sammensætning af PUU'er.

"Det her er meget spændende." sagde Dr. Hsieh "At se er at tro. Ny forståelse fra disse forskningsopdagelser - essensen af ​​hyperelastiske fænomener i bulk-elastomerer, især i øjeblikket for mål/impuls-interaktion - peger kraftigt på at være en plausibel vejnøgle til at manipulere fiaskofysik og mod en nyt designparadigme for robuste materialer."

PUU'er er kendt for at have kompleks mikrostruktur sammen med en bred vifte af afslapningstider - de egenskaber, der bruges til at afspejle effektiviteten af, hvordan molekyler i polymerkæder reagerer på en ekstern impuls. Specifikt, for PUUs molekyler med længere afslapningstider i størrelsesordenen mikrosekunder ved omgivende forhold, f.eks., langsommere dynamik, muliggør dynamisk afstivning, mens dem med nanosekunders afslapningstider ved omgivende forhold var i stand til at give yderligere energiabsorption mod dynamisk styrkelse. Disse viskoelastiske egenskaber viser, at elastomerer såvel som andre polymere materialer kan deformeres på forskellige måder afhængigt af, hvor hurtigt de bliver deformeret.

Holdet antog, at en kooperativ molekylær afslapningsmekanisme ? der ligner et resonansfænomen med "ringbrynje-lignende" molekylære bevægelser, der hver svinger ved specifikke frekvenser for at sprede absorberet energi. Disse dynamiske styrkelses- og afstivningsegenskaber kunne formodentlig lettes af intermolekylær hydrogenbinding til stede i hele det fysisk tværbundne netværk i PUU'er. I modsætning, mikrosekundrelaksationen ved omgivelsesbetingelser er ikke til stede i polycarbonat, og heller ikke hydrogenbinding og den tilsvarende muliggørende molekylære mekanisme er overhovedet tilgængelig i polycarbonat, på trods af dens sejhed og slagstyrke. Dermed, PUU'er eller højtydende elastomerer med flere afslapningstider er meget ønskede og nøglen til at muliggøre både den dynamiske styrkelse og dynamiske afstivning over den tidsmæssige skala fra mikrosekunder til nanosekunder.

Disse unikke observationer blev uddybet i et nyligt offentliggjort papir i Polymer , 123 (2017) 30-38.

I mellemtiden materialer som polyurethan, ligner PUU, da matrixelastomerer klarede sig bedre mod bagsidedeformation fundet i letvægts UHMWPE-kompositter. Dette er i bund og grund spændingen af ​​materiale inde i kamphjelme, der overfører store kræfter til kraniet og forårsager stumpe stødtraumer. PUU'er, polyurethaner og lignende elastomerer, Hsieh sagde, som udviser dynamisk forstærkning i højhastighedsdeformationer og reducerer deformationen af ​​hjelmen under stød markant, til integration med avancerede fibre, kan være til stor gavn for fremtidige kamphjelme.

Ud over kamphjelme, andre potentielle anvendelser af robuste højtydende elastomerer til soldaterbeskyttelse omfatter, men er ikke begrænset til, gennemsigtige ansigtsskærme, mandible ansigtsskærme, ballistiske veste, ekstremitetsbeskyttelsesudstyr, og eksplosionsbestandige kampstøvler.

Det er også forudset, at denne forskningsopdagelse om hyperelastisk fænomen af ​​PUU'er, især i det øjeblik med meget høj hastighedspåvirkning, krydser også ind i forudsigelige områder såsom beskyttelse af professionelle fodboldspillere og unge atleter mod hjernerystelse eller andre hjernerelaterede skader forårsaget af kollisioner. Fra et materialedesignperspektiv, højtydende robuste elastomerer kan bruges som de yderste lag af hjelmen eller til blot at erstatte polycarbonatskallen, sagde Hsieh.