En ny måde at teste kropspanser på

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet en ny måde at undersøge de højtydende fibre, der bruges i moderne kropspanser. Beskrevet i Journal of Polymer Science , forskningen kan være med til at øge tilliden til det tøj, der beskytter militære enheder, politiafdelinger og offentlige personer fra skud. Det kan også føre til udvikling af nye, lettere vægtmaterialer til rustning i fremtiden.

Højtydende polymerfibre er blevet brugt i ballistiske applikationer i mere end 40 år. Traditionelt, disse fibre væves sammen til et stof og lægges derefter i lag 15-20 gange for at lave en vest med en tykkelse på alt fra omkring 6 til 13 millimeter (en kvart til en halv tomme). Selvom det er effektivt til at stoppe eller bremse kugler, brugere har nogle gange fundet disse veste, som bæres enten under eller over tøj, at være tung og omfangsrig - svarende til at have 15 til 20 skjorter på på én gang på en varm sommerdag. Mange vil gerne have et mere behageligt alternativ.

Afprøvningen af ​​blød rustning har været en stor bekymring, fordi udbredelsen af ​​en ny slags fiber – som menes at være overlegen i forhold til det tidligere materiale – uventet mislykkedes i 2003, resulterede i en politibetjents død. Det og andre hændelser førte til en tilbagekaldelse i 2005 af nogle af vestene lavet med det nye materiale.

Selvom ydeevnen af ​​disse veste var overlegen, når de var friske ud af æsken og i uberørt stand, test viste senere, at de mekaniske egenskaber af fibrene inde i vestene begyndte at forringes efter et par måneders normal brug. De nye veste blev til sidst helt fjernet fra markedet, og producenten blev sagsøgt af Justitsministeriet (DOJ).

DOJ hyrede NIST til at hjælpe med at evaluere problemet og afgøre, hvorfor disse veste fejlede. Som landets målelaboratorium, NIST-forskere er særligt kvalificerede til at udvikle måder at karakterisere både fibrene og deres eventuelle forringelse.

"Fibrene i disse ballistiske applikationer kan ikke svigte [i marken], periode, " sagde Gale Holmes, en materialeforskningsingeniør ved NIST. "Men tidligere, vi havde ingen måde at vide, om de ændrede sig over tid, da folk havde dem på og brugte dem."

De ideelle mekaniske egenskaber for disse veste og andet udstyr omfatter en kombination af høj stivhed, stor trækstyrke, og en betydelig belastning-til-fejl for at absorbere kuglens stød. Indledende arbejde af Holmes afslørede, at den naturlige foldning og foldning, som en vest normalt ville støde på under brug, førte til en betydelig forringelse af disse kritiske mekaniske egenskaber, især i fugtige miljøer.

Mens nedbrydningen i de mekaniske egenskaber var indlysende, det, der manglede, var en analytisk teknik til at karakterisere de strukturelle eller kemiske forskelle i fibrene, der ville forklare deres tab i ydeevne. Selvom der ikke er noget materiale, der kunne være fuldstændig "skudsikkert" under alle omstændigheder, forskere ønskede en måde at karakterisere materialer for deres varierende evne til at afbøde en kugles påvirkning, især efter brug i marken.

Karakteriseringsmetoden valgt af Holmes og Christopher Soles ved NIST gjorde brug af en intens positronstrålefacilitet ved North Carolina State Universitys PULSTAR Nuclear Reactor.

Positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) teknikken giver et molekylært niveau af strukturen af ​​materialer. Det er blevet brugt til at teste materialer i andre sektorer, herunder porøse membraner og halvlederisolatorer. Til dette arbejde, positroner blev sprøjtet ind i ballistiske fibre og gjorde det muligt for forskere at bestemme, om der blev skabt hulrum under foldning på en skala på mindre end 5 nanometer.

Brug af PALS, Holmes og Soles opdagede, at hulrumsniveauer er meget følsomme indikatorer for skader påført af fibrene efter foldning; en større bestand af hulrum betyder en bedre chance for fiberfejl. Holdet havde tidligere mistanke om, at tomrumsoprettelse var en kritisk komponent i mekanisk nedbrydning, men de lille vinkel røntgenspredningsmålinger, som tidligere var blevet brugt, havde en tendens til at være mindre følsomme over for hulrum mindre end 5 nanometer og viste sig at være inkonklusive. Den kritiske skade skete på meget finere længdeskalaer.

"Det gav os mulighed for at karakterisere ændringer i fibrene, som du ikke kan se med andre teknikker, " sagde Holmes. "Vi blev overraskede under vores forskning over, hvor følsom teknikken var."

"Før, vi havde ikke en rigtig god måde at skelne mellem, hvorfor nogle materialer gik i stykker under foldetest, og nogle ikke gjorde, " sagde Soles. "Dette er det første materialekarakteriseringsværktøj, der giver indsigt i, hvorfor nogle materialer kan foldes og stadig bevare deres styrke."

Resultaterne kan fungere som en design-cue for dem, der ønsker at udvikle nye alternativer til den nuværende panser. Det kan også hjælpe med at finjustere mængden af ​​fibre, der i øjeblikket er ordineret til disse produkter, giver mere komfortable veste.