Het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger werkt aan de ontwikkeling van nieuwe lichtgewicht keramische materialen die bestand zijn tegen breuk, en heeft samengewerkt met onderzoekers van de Universiteit van Florida om beter te begrijpen hoe deze materialen, die geschikt zijn voor persoonlijke bescherming van soldaten en legersystemen, breuk, en hoe deze verder kunnen worden verbeterd. Ze richten zich op falen door kraken; het materiaal desintegreert uiteindelijk in een korrelachtige toestand door een proces dat verkleining wordt genoemd.

"Hoewel verschillende keramische materialen een hoge hardheid hebben, ze falen gemakkelijk wanneer ze uit elkaar worden getrokken. Dat is, bij blootstelling aan trekkrachten. De hoeveelheid spanning die deze materialen kunnen weerstaan ​​voordat ze stuk gaan, is een kleine fractie van de compressie die ze kunnen weerstaan. Als resultaat, hoge snelheidsinslag van kogels en fragmenten veroorzaakt uitgebreide barsten en fragmentatie van het materiaal, het verminderen van zijn vermogen om zijn superieure hardheid volledig te benutten om weerstand te bieden aan complexe stresstoestanden die worden gegenereerd door de impactgebeurtenis, " verklaarde Dr. Sikhanda Satapathy, van de afdeling Militaire Beschermingswetenschappen van ARL.

traditioneel, de relatie tussen het vermogen van het korrelige materiaal om compressie te weerstaan ​​en het vermogen om weerstand te bieden aan afschuifvervorming, waardoor materiaal van vorm verandert, is beschreven door het Mohr-Coulomb-model. Dit model benadert de weerstand van het materiaal tegen afschuifvervorming (afschuifsterkte) als een lineaire functie van de uitgeoefende druk. In werkelijkheid, de afschuifsterkte neemt niet lineair toe met de druk en zal verzadigen bij hoge drukken.

De UF-onderzoekers ontwikkelden een nieuw model dat de respons van korrelig materiaal nauwkeuriger beschrijft door de spanningstoestand te bestuderen waarbij een verscheidenheid aan keramiek faalt, zoals gerapporteerd in de literatuur door verschillende onderzoeksteams.

Het ARL- en het UF-team werkten samen om dit verbeterde granulaire responsmodel te gebruiken in combinatie met een dynamisch modelleringskader voor holteexpansie om de respons van keramiek op de complexe, door impact geïnduceerde stresstoestand vast te leggen, waaronder compressie, spanning en afschuiving. Het dynamische modelleringsraamwerk voor holteexpansie gebruikt de druk die nodig is om een ​​holte uit te zetten in een intact materiaal om het vermogen ervan om diepe penetratie te weerstaan, te karakteriseren. Deze druk, natuurlijk, is afhankelijk van hoe het materiaal reageert op compressie, trek- en schuifkrachten. Door de toepasbaarheid van dit nieuwe model op een brede klasse van keramiek, de behoefte aan dure experimenten om de penetratierespons te karakteriseren wordt aanzienlijk verminderd. Het nieuwe penetratiemodel verbetert het begrip van hoe bros keramiek reageert op hoge slagspanning door te breken en te verkleinen tot korrelig materiaal, en verhoogt het modelleringsvermogen van penetratiegebeurtenissen.

Het is aangetoond dat het verbeterde model de weerstand van een breed scala aan keramische doelen beter voorspelt wanneer ze worden beschoten door projectielen met een lange staaf met snelheden tot 3 km/sec. De belangrijke materiaalparameters voor de penetratieprestaties van een keramisch doelwit zijn geïdentificeerd door deze gezamenlijke inspanning, die zal leiden hoe de faalprocessen in keramiek kunnen worden gecontroleerd door middel van een verbeterd materiaalontwerp of door een systeembenadering met meerdere materialen.

"Het begrijpen van de mechanica van de materiële respons op door projectielen veroorzaakte stressomstandigheden is cruciaal in dit onderzoek, " zei Satapathy. Het onderzoek zal verschijnen in de International Journal of Solids and Structures .