Volgens oude overlevering, Genghis Khan instrueerde zijn ruiters om zijden vesten onder hun wapenrusting te dragen om zichzelf beter te beschermen tegen een aanval van pijlen tijdens de strijd. Sinds de tijd van Khan, kogelvrije vesten zijn aanzienlijk geëvolueerd - zijde heeft plaatsgemaakt voor ultraharde materialen die als ondoordringbare muren werken tegen de meeste munitie. Echter, zelfs dit pantser kan falen, vooral als het wordt geraakt door munitie met hoge snelheid of andere snel bewegende objecten.

Onderzoekers van de Texas A&M University hebben een nieuw recept geformuleerd dat zwakke punten in moderne bepantsering kan voorkomen. Door een kleine hoeveelheid van het element silicium aan boorcarbide toe te voegen, een materiaal dat gewoonlijk wordt gebruikt voor het maken van kogelvrije vesten, ze ontdekten dat kogelwerende uitrusting aanzienlijk beter bestand kon worden gemaakt tegen botsingen met hoge snelheid.

"De afgelopen 12 jaar onderzoekers hebben gezocht naar manieren om de schade te verminderen die wordt veroorzaakt door de impact van hogesnelheidskogels op pantser gemaakt met boorcarbide, " zei dr. Kelvin Xie, universitair docent bij de afdeling Materials Science and Engineering. "Ons werk komt eindelijk tegemoet aan deze onvervulde behoefte en is een stap voorwaarts in het ontwerpen van superieure kogelvrije vesten die bescherming bieden tegen nog krachtigere vuurwapens tijdens gevechten."

Deze studie werd gepubliceerd in het oktobernummer van het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

boorcarbide, genaamd "zwarte diamant, " is een door de mens gemaakt materiaal, die op de tweede plaats staat onder een ander synthetisch materiaal dat kubisch boornitride wordt genoemd voor hardheid. In tegenstelling tot kubisch boornitride, echter, boorcarbide is gemakkelijker op grote schaal te produceren. Ook, boorcarbide is harder en lichter dan andere pantsermaterialen zoals siliciumcarbide, waardoor het een ideale keuze is voor beschermende uitrusting, vooral ballistische vesten.

Ondanks de vele gewenste eigenschappen van boorcarbide, het belangrijkste nadeel is dat het zeer snel kan beschadigen bij een botsing met hoge snelheid.

"Boorcarbide is echt goed in het stoppen van kogels die minder dan 900 meter per seconde reizen, en dus kan het vrij effectief kogels van de meeste pistolen blokkeren, "zei Xie. "Maar boven deze kritieke snelheid, boorcarbide verliest plotseling zijn ballistische prestaties en is niet zo effectief."

Wetenschappers weten dat snelle schokken ervoor zorgen dat boorcarbide fasetransformaties heeft - een fenomeen waarbij een materiaal zijn interne structuur zodanig verandert dat het zich in twee of meer fysieke toestanden bevindt, zoals vloeibaar en vast, tegelijkertijd. De impact van de kogel zet boorcarbide dus om van een kristallijne toestand waarin atomen systematisch zijn geordend naar een glasachtige toestand waarin atomen lukraak zijn gerangschikt. Deze glasachtige toestand verzwakt de integriteit van het materiaal op de plaats van contact tussen de kogel en boorcarbide.

"Wanneer boorcarbide fasetransformatie ondergaat, de glazige fase creëert een snelweg waar scheuren zich kunnen voortplanten, "zei Xie. "Dus, elke lokale schade veroorzaakt door de impact van een kogel reist gemakkelijk door het materiaal en veroorzaakt geleidelijk meer schade."

Eerder werk met computersimulaties voorspelde dat het toevoegen van een kleine hoeveelheid van een ander element, zoals silicium, had het potentieel om boorcarbide minder bros te maken. Xie en zijn groep onderzochten of het toevoegen van een kleine hoeveelheid silicium ook de fasetransformatie verminderde.

Om de eerste impact van een hogesnelheidskogel te simuleren, de onderzoekers maakten goed gecontroleerde deuken op boorcarbidemonsters met een diamantpunt, waarvan de breedte kleiner is dan een mensenhaar. Vervolgens, onder een krachtige elektronenmicroscoop, ze keken naar de microscopische schade die door de slagen was gevormd.

Xie en zijn medewerkers ontdekten dat zelfs met kleine hoeveelheden silicium, de mate van fasetransformatie daalde met 30%, waardoor de schade door de inkeping merkbaar wordt verminderd.

Hoewel silicium goed dient om de eigenschappen van boorcarbide te verbeteren, Xie legde uit dat er meer experimenten moeten worden gedaan om te weten of andere elementen, zoals lithium en aluminium, zou ook de prestaties van boorcarbide kunnen verbeteren.

In de nabije toekomst, Xie voorspelt dat deze sterkere neven van puur boorcarbide andere niet-militaire toepassingen zullen vinden. Een dergelijk gebruik is in nucleaire schilden. Hij zei dat het gebruik van een vleugje silicium in boorcarbide de afstand tussen atomen verandert en dat de lege ruimtes die worden gecreëerd goede locaties kunnen zijn om schadelijke straling van kernreactoren te absorberen.

"Just as in cooking where a small sprinkle of spices can greatly boost flavor, 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, " Xie said.