Ingeniører udvikler opskrifter til dramatisk at styrke kropsrustningen

Ifølge gammel viden, Djengis Khan instruerede sine ryttere til at bære silkeveste under deres rustning for bedre at beskytte sig mod et angreb af pile under kamp. Siden Khans tid, Kropsrustninger har udviklet sig markant - silke har givet plads til ultrahårde materialer, der fungerer som uigennemtrængelige vægge mod det meste ammunition. Imidlertid, selv denne rustning kan fejle, især hvis den bliver ramt af højhastigheds ammunition eller andre hurtigt bevægende genstande.

Forskere ved Texas A&M University har formuleret en ny opskrift, der kan forhindre svagheder i moderne rustning. Ved at tilsætte en lille mængde af grundstoffet silicium til borcarbid, et materiale, der almindeligvis bruges til at lave panser, de opdagede, at skudsikkert gear kunne gøres væsentligt mere modstandsdygtigt over for højhastighedspåvirkninger.

"I de sidste 12 år, forskere har ledt efter måder at reducere skader forårsaget af højhastighedskuglers indvirkning på panser lavet med borcarbid, " sagde Dr. Kelvin Xie, adjunkt ved Institut for Materialevidenskab og Teknik. "Vores arbejde løser endelig dette udækkede behov og er et skridt fremad i at designe overlegen rustning, der vil beskytte mod endnu kraftigere skydevåben under kamp."

Denne undersøgelse blev offentliggjort i oktoberudgaven af ​​tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Borcarbid, døbt "sort diamant, "er et menneskeskabt materiale, som rangerer nummer to under et andet syntetisk materiale kaldet kubisk bornitrid for hårdhed. I modsætning til kubisk bornitrid, imidlertid, borcarbid er lettere at fremstille i stor skala. Også, borcarbid er hårdere og lettere end andre rustningsmaterialer som siliciumcarbid, gør det til et ideelt valg til beskyttelsesudstyr, især ballistiske veste.

På trods af borcarbids mange ønskværdige kvaliteter, dens største mangel er, at den kan beskadige meget hurtigt ved højhastighedspåvirkning.

"Borcarbid er rigtig god til at stoppe kugler, der bevæger sig under 900 meter i sekundet, og så det kan blokere kugler fra de fleste håndvåben ganske effektivt, " sagde Xie. "Men over denne kritiske hastighed, borcarbid mister pludselig sin ballistiske ydeevne og er ikke så effektiv."

Forskere ved, at højhastighedsstød får borcarbid til at have fasetransformationer - et fænomen, hvor et materiale ændrer sin indre struktur, så det er i to eller flere fysiske tilstande, som flydende og fast, på samme tid. Kuglens nedslag omdanner således borcarbid fra en krystallinsk tilstand, hvor atomer er systematisk ordnet, til en glaslignende tilstand, hvor atomer er tilfældigt arrangeret. Denne glaslignende tilstand svækker materialets integritet på kontaktstedet mellem kuglen og borcarbid.

"Når borcarbid gennemgår fasetransformation, den glasagtige fase skaber en motorvej, hvor revner kan forplante sig, " sagde Xie. "Så, enhver lokal skade forårsaget af stødet af en kugle bevæger sig let gennem materialet og forårsager gradvist mere skade."

Tidligere arbejde med computersimulering forudsagde, at tilføjelse af en lille mængde af et andet element, såsom silicium, havde potentialet til at gøre borcarbid mindre skørt. Xie og hans gruppe undersøgte, om tilsætning af en lille mængde silicium også reducerede fasetransformation.

For at simulere det indledende slag af en højhastighedskugle, forskerne lavede velkontrollerede buler på borcarbidprøver med en diamantspids, hvis bredde er mindre end et menneskehår. Derefter, under et kraftigt elektronmikroskop, de så på den mikroskopiske skade, der blev dannet af slagene.

Xie og hans samarbejdspartnere fandt ud af, at selv med små mængder silicium, omfanget af fasetransformation faldt med 30 %, mærkbart reducere skaden fra fordybningen.

Selvom silicium tjener godt til at forbedre borcarbids egenskaber, Xie forklarede, at der skal laves flere eksperimenter for at vide, om andre elementer, som lithium og aluminium, kunne også forbedre borcarbid's ydeevne.

I den nærmeste fremtid, Xie forudser, at disse stærkere fætre af ren borcarbid vil finde andre ikke-militære anvendelser. En sådan anvendelse er i nukleare skjolde. Han sagde, at brugen af ​​et strejf af silicium i borcarbid ændrer afstanden mellem atomer, og de tomme rum, der skabes, kan være gode steder at absorbere skadelig stråling fra atomreaktorer.

"Ligesom i madlavning, hvor et lille drys krydderier i høj grad kan booste smagen, by using a small amount of silicon we can dramatically improve the properties of boron carbide and consequently find novel applications for these ultrahard materials, " sagde Xie.