Các nhà nghiên cứu từ lâu đã làm việc để tìm ra các vật liệu mới được bảo vệ tốt hơn trước các vết đâm tốc độ cao, nhưng thật khó để kết nối các chi tiết vi mô của các vật liệu mới đầy hứa hẹn với hành vi thực tế của chúng trong thế giới thực.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đã nghĩ ra một phương pháp mới sử dụng dữ liệu và đường đạn phát ra từ tia laze để giúp dự đoán các đặc tính và hành vi vi mô của vật liệu mục tiêu, theo một bài báo trên ACS Vật liệu ứng dụng & Giao diện, LaserMade.com hiểu. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng tia laser cường độ cao để phóng ra một vi đạn ở tốc độ gần bằng tốc độ âm thanh vào vật liệu mục tiêu, trong trường hợp này là màng polyme đại diện cho vật liệu chống đâm thủng được thử nghiệm.
Sự trao đổi năng lượng giữa các hạt và mẫu vật liệu được thử nghiệm được phân tích ở cấp độ vi mô, sau đó phương pháp chia tỷ lệ được sử dụng để dự đoán khả năng chống đâm thủng của vật liệu bởi một vật thể năng lượng cao lớn hơn, chẳng hạn như một viên đạn. Bằng cách này, kết hợp thử nghiệm với các phương pháp phân tích và chia tỷ lệ, các nhà khoa học có thể khám phá ra các vật liệu chống đâm thủng mới. Chương trình mới làm giảm nhu cầu thực hiện một loạt thí nghiệm dài trong phòng thí nghiệm sử dụng đạn lớn hơn và mẫu lớn hơn.
Nhà hóa học Katherine Evans của NIST giải thích: "Khi bạn nghiên cứu một vật liệu mới cho ứng dụng bảo vệ, với phương pháp mới của chúng tôi, chúng tôi có thể biết sớm hơn về việc liệu các đặc tính bảo vệ của nó có đáng để nghiên cứu hay không."
Tổng hợp một lượng nhỏ polyme mới có thể khá thường xuyên trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm; thách thức là tăng số lượng để kiểm tra khả năng chống đâm thủng của nó - vật liệu được làm từ polyme tổng hợp mới mà việc tăng số lượng đủ thường là không thể hoặc không thực tế.
Christopher Soles, kỹ sư nghiên cứu vật liệu tại NIST, cho biết vấn đề với thử nghiệm đạn đạo là có hai bước bạn phải thực hiện để tạo ra vật liệu mới. Bạn cần tổng hợp một loại polymer mới mà bạn cho là tốt hơn, sau đó mở rộng quy mô. đến mức kilôgam. Thành tựu lớn của công việc này là chúng tôi đã ngạc nhiên phát hiện ra rằng thử nghiệm vi đạn đạo có thể được nhân rộng và liên kết với thử nghiệm quy mô lớn trong thế giới thực."
Trong quá trình nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp của họ để đánh giá một số vật liệu, bao gồm các hợp chất thủy tinh đạn đạo được sử dụng rộng rãi, vật liệu tổng hợp nano mới và các mẫu vật liệu graphene.
Phương pháp thử nghiệm được gọi là LIPIT, viết tắt của "Laser Induced Projectile Impact Test. Nó sử dụng tia laze để bắn một vi đạn làm bằng silica hoặc thủy tinh vào một màng mỏng của vật liệu quan tâm. Thông qua quá trình cắt bỏ bằng tia laze, tia laze tạo ra hiệu ứng cao sóng áp suất đẩy vật liệu vi đạn vào mẫu.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp này để phân tích một hỗn hợp nano có tên là hỗn hợp polymethacrylate hạt nano ghép polyme (npPMA). Nó bao gồm các hạt nano silica và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả áo chống đạn. Tia laze đẩy các viên đạn siêu nhỏ về phía vật liệu mục tiêu với tốc độ từ 100 đến 400 mét/giây và một camera được sử dụng để đo tác động của chúng.
Các nhà nghiên cứu đã kết hợp các phép đo thu được trên npPMA với phân tích toán học bổ sung, cùng với dữ liệu có sẵn về vật liệu từ tài liệu nghiên cứu, để liên hệ kết quả của các thử nghiệm chấn lưu vi mô với tác động trong một tác động lớn hơn. Vì npPMA là một vật liệu mới không dễ chế tạo nên họ đã mở rộng phân tích của mình để bao gồm một hợp chất được sử dụng phổ biến hơn (polycarbonate), được sử dụng rộng rãi làm kính chống đạn.
Sử dụng kết hợp các kết quả tài liệu, phân tích kích thước và phương pháp của LIPIT, các nhà nghiên cứu đã có thể chứng minh rằng khả năng chống đâm thủng của vật liệu có liên quan đến ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được trước khi đứt gãy (nghĩa là ứng suất hỏng). Điều này thách thức sự hiểu biết hiện tại về hiệu suất đạn đạo, thường được cho là có liên quan đến cách sóng áp suất truyền qua vật liệu.
Phương pháp mới của họ có thể xác định giới hạn độ bền của vật liệu hoặc mức độ căng thẳng và áp suất mà vật liệu đó có thể chịu được mà không cần đo trực tiếp các đặc tính này trước, giúp tối ưu hóa việc chọn vật liệu nào trong thí nghiệm. Điều này cho phép họ khám phá các vật liệu như graphene, điều này gợi ý rằng nhiều lớp màng mỏng của vật liệu này có thể được sử dụng cho các ứng dụng chống va đập, tương tự như các polyme hiệu suất cao.
Đối với bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu có kế hoạch đánh giá các đặc tính đạn đạo của các vật liệu mới khác và nghiên cứu các loại và cấu hình khác nhau. Họ cũng sẽ thay đổi kích thước của bom siêu nhỏ và mở rộng phạm vi vận tốc của chúng.
