Nyt letvægts supermateriale kunne bekæmpe kugler, aflede rumaffald

University of Wisconsin-Madison ingeniører har skabt et nanofibermateriale, der udkonkurrerer dets udbredte modstykker - inklusive stålplader og Kevlar-stof - ved at beskytte mod højhastighedsprojektilstød.

Grundlæggende er det bedre end skudsikkert.

"Vores nanofibermåtter udviser beskyttende egenskaber, der langt overgår andre materialesystemer med meget lettere vægt," siger Ramathasan Thevamaran, en UW-Madison assisterende professor i teknisk fysik, der ledede forskningen.

Han og hans samarbejdspartnere beskrev fremskridtet i en artikel, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

For at skabe materialet blandede Thevamaran og postdoc-forsker Jizhe Cai flervæggede kulstof-nanorør - kulstofcylindre kun et atom tykt i hvert lag - med Kevlar-nanofibre. De resulterende nanofibermåtter er overlegne til at sprede energi fra nedslaget fra små projektiler, der bevæger sig hurtigere end lydens hastighed.

Fremskridtet danner grundlaget for brug af kulstof nanorør i lette, højtydende pansermaterialer, for eksempel i skudsikre veste for bedre at beskytte bæreren eller i skjolde omkring rumfartøjer for at afbøde skader fra flyvende højhastighedsmikroaffald.

"Nano-fibrøse materialer er meget attraktive til beskyttende anvendelser, fordi fibre i nanoskala har enestående styrke, sejhed og stivhed sammenlignet med makroskalafibre," siger Thevamaran. "Carbon nanorør måtter har vist den bedste energiabsorption hidtil, og vi ville se, om vi kunne forbedre deres ydeevne yderligere."

De fandt den rigtige kemi. Holdet syntetiserede Kevlar nanofibre og inkorporerede en lille mængde af dem i deres carbon nanorørmåtter, hvilket skabte hydrogenbindinger mellem fibrene. Disse hydrogenbindinger ændrede interaktionerne mellem nanofibrene og forårsagede sammen med den helt rigtige blanding af Kevlar nanofibre og kulstofnanorør et dramatisk spring i det overordnede materiales ydeevne.

"Brintbindingen er en dynamisk binding, hvilket betyder, at den kontinuerligt kan bryde og omdannes igen, hvilket giver den mulighed for at sprede en stor mængde energi gennem denne dynamiske proces," siger Thevamaran. "Derudover giver hydrogenbindinger mere stivhed til den interaktion, som styrker og afstivner nanofibermåtten. Da vi modificerede grænsefladeinteraktionerne i vores måtter ved at tilføje Kevlar nanofibre, var vi i stand til at opnå næsten 100 % forbedring i energiafledningsydelsen på visse supersoniske anslagshastigheder."

Kom med kuglerne. Forskerne testede deres nye materiale ved hjælp af et laser-induceret mikroprojektil slagtestsystem i Thevamarans laboratorium. Systemet er et af kun en håndfuld som det i USA. Systemet bruger lasere til at skyde mikrokugler ind i materialeprøverne.

"Vores system er designet sådan, at vi faktisk kan plukke en enkelt kugle under et mikroskop og skyde den mod målet på en meget kontrolleret måde, med en meget kontrolleret hastighed, der kan varieres fra 100 meter i sekundet hele vejen til over 1 kilometer. i sekundet," siger Thevamaran. "Dette gjorde det muligt for os at udføre eksperimenter på en tidsskala, hvor vi kunne observere materialets respons - efterhånden som hydrogenbindingsinteraktionerne sker."

In addition to its impact resistance, another advantage of the new nanofiber material is that, like Kevlar, it is stable at both very high and very low temperatures, making it useful for applications in a wide range of extreme environments. + Udforsk yderligere

Synthesis of diamond-like carbon nanofiber film