Nye test af nanostruktureret materiale kan føre til bedre rustning

At yde beskyttelse mod stød fra kugler og andre højhastighedsprojektiler er mere end blot et spørgsmål om råstyrke. Mens traditionelle skjolde er blevet lavet af omfangsrige materialer såsom stål, nyere panser lavet af letvægtsmateriale som Kevlar har vist, at tykkelse og vægt ikke er nødvendige for at absorbere energien fra stød. Nu, en ny undersøgelse foretaget af forskere ved MIT og Rice University har vist, at selv lettere materialer kan være i stand til at udføre arbejdet lige så effektivt.

Nøglen er at bruge kompositter lavet af to eller flere materialer, hvis stivhed og fleksibilitet er struktureret på meget specifikke måder - såsom i skiftende lag, der kun er få nanometer tykke. Forskerholdet producerede miniature højhastighedsprojektiler og målte de virkninger, de havde på det stødabsorberende materiale.

Resultaterne af forskningen er rapporteret i tidsskriftet Naturkommunikation , i et papir medforfatter af tidligere postdoc Jae-Hwang Lee, nu forsker ved Rice; postdoc Markus Retsch; kandidatstuderende Jonathan Singer; Edwin Thomas, en tidligere MIT-professor, der nu er på Rice; kandidatstuderende David Veysset; tidligere kandidatstuderende Gagan Saini; tidligere postdoc Thomas Pezeril, nu på fakultetet ved Université du Maine, i Le Mans, Frankrig; og kemiprofessor Keith Nelson. Det eksperimentelle arbejde blev udført på MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies.

Holdet udviklede en selvsamlende polymer med en lagkagestruktur:gummiagtige lag, som giver modstandskraft, skiftevis med glasagtige lag, som giver styrke. De udviklede derefter en metode til at skyde glasperler mod materialet med høj hastighed ved at bruge en laserpuls til hurtigt at fordampe et lag materiale lige under dets overflade. Selvom perlerne var små - kun milliontedele af en meter i diameter - var de stadig hundredvis af gange større end lagene af polymeren, de ramte:store nok til at simulere stød fra større genstande, såsom kugler, men lille nok til at virkningerne af påvirkningerne kunne studeres i detaljer ved hjælp af et elektronmikroskop.

At se lagene

Strukturerede polymerkompositter er tidligere blevet testet for mulige slagbeskyttelsesanvendelser. Men ingen havde fundet en måde at studere præcis, hvordan de fungerer - så der var ingen måde at systematisk søge efter forbedrede kombinationer af materialer.

De nye teknikker udviklet af MIT- og Rice-forskerne kunne give en sådan metode. Deres arbejde kunne fremskynde fremskridt med materialer til applikationer i karosseri- og køretøjsrustninger; afskærmning for at beskytte satellitter mod mikrometeoritpåvirkninger; og belægninger til jetmotor-turbineblade for at beskytte mod højhastighedspåvirkninger fra sand eller ispartikler.

De metoder, holdet udviklede til at producere højhastighedspåvirkninger i laboratorieskala, og for at måle påvirkningernes virkninger på en præcis måde, "kan være et ekstremt nyttigt kvantitativt værktøj til udvikling af beskyttende nanomaterialer, " siger Lee, avisens hovedforfatter, som lavede meget af denne forskning, mens han var i MIT's afdeling for materialevidenskab og teknik. "Vores arbejde præsenterer nogle værdifulde indsigter for at forstå bidraget" af nanoskalastrukturen til den måde, sådanne materialer absorberer en påvirkning på, han siger.

Fordi det lagdelte materiale har en sådan forudsigelig, ordnet struktur, virkningerne af påvirkningerne kan let kvantificeres ved at observere forvrængninger i tværsnit. "Hvis du vil teste, hvordan bestilte systemer vil opføre sig, "Sanger siger, "Dette er den perfekte struktur til test."

Hvilken retning fungerer bedst

Holdet fandt ud af, at når projektilerne ramte lagene frontalt, de absorberede stødet 30 procent mere effektivt end ved et kantstød. Disse oplysninger kan have umiddelbar relevans for udformningen af ​​forbedrede beskyttelsesmaterialer.

Nelson har brugt år på at udvikle teknikker, der bruger laserimpulser til at observere og kvantificere chokbølger i nanoskala - teknikker, der blev tilpasset til denne forskning med hjælp fra Lee, Veysset og andre teammedlemmer. Ideelt set i fremtidig forskning, holdet håber at være i stand til at observere passage af projektiler i realtid for at få en bedre forståelse af hændelsesforløbet, når det ramte materiale undergår forvrængning og beskadigelse, siger Nelson.

Ud over, nu hvor den eksperimentelle metode er blevet udviklet, forskerne vil gerne undersøge forskellige materialer og strukturer for at se, hvordan disse reagerer på påvirkninger, Nelson siger:variere sammensætningen og tykkelsen af ​​lag, eller ved at bruge forskellige strukturer.

Donald Shockey, direktør for Center for Fracture Physics ved SRI International, et nonprofit forskningsinstitut i Menlo Park, Californien, siger, "Det er en ny og nyttig tilgang, der vil give den nødvendige forståelse af de mekanismer, der styrer, hvordan et projektil trænger gennem beskyttelsesveste og hjelme." Han tilføjer, at disse resultater "leverer de data, der kræves for at udvikle og validere beregningsmodeller" for at forudsige adfærden af ​​stødbeskyttelsesmaterialer og for at udvikle nye, forbedrede materialer.

"Nøglen til at udvikle materialer med bedre slagfasthed er at forstå deformation og fejladfærd ved spidsen af ​​et fremadskridende projektil, "Shockey siger. "Vi skal være i stand til at se det."

Arbejdet blev støttet af U.S. Army Research Office.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.