Bescherming bieden tegen inslagen van kogels en andere hogesnelheidsprojectielen is meer dan alleen een kwestie van brute kracht. Terwijl traditionele schilden zijn gemaakt van omvangrijke materialen zoals staal, nieuwere kogelvrije vesten gemaakt van lichtgewicht materiaal zoals Kevlar hebben aangetoond dat dikte en gewicht niet nodig zijn voor het absorberen van de energie van schokken. Nutsvoorzieningen, een nieuwe studie door onderzoekers van MIT en Rice University heeft aangetoond dat zelfs lichtere materialen het werk net zo effectief kunnen doen.

De sleutel is om composieten te gebruiken die zijn gemaakt van twee of meer materialen waarvan de stijfheid en flexibiliteit op zeer specifieke manieren zijn gestructureerd, zoals in afwisselende lagen van slechts enkele nanometers dik. Het onderzoeksteam produceerde miniatuur hogesnelheidsprojectielen en mat de effecten die ze hadden op het schokabsorberende materiaal.

De resultaten van het onderzoek worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , in een paper met co-auteur van voormalig postdoc Jae-Hwang Lee, nu een onderzoeker bij Rice; postdoc Markus Retsch; afgestudeerde student Jonathan Singer; Edwin Thomas, een voormalige MIT-professor die nu bij Rice werkt; afgestudeerde student David Veysset; voormalig afgestudeerde student Gagan Saini; voormalig postdoc Thomas Pezeril, nu op de faculteit van de Université du Maine, in Le Mans, Frankrijk; en scheikundeprofessor Keith Nelson. Het experimentele werk werd uitgevoerd bij MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies.

Het team ontwikkelde een zelfassemblerend polymeer met een laag-cakestructuur:rubberachtige lagen, die veerkracht bieden, afgewisseld met glazige lagen, die kracht geven. Vervolgens ontwikkelden ze een methode om glasparels met hoge snelheid op het materiaal te schieten door met een laserpuls een laag materiaal net onder het oppervlak snel te verdampen. Hoewel de kralen klein waren - slechts een miljoenste van een meter in diameter - waren ze nog steeds honderden keren groter dan de lagen van het polymeer waarop ze inwerkten:groot genoeg om de impact van grotere objecten te simuleren, zoals kogels, maar klein genoeg om de effecten van de inslagen in detail te bestuderen met behulp van een elektronenmicroscoop.

De lagen zien

Gestructureerde polymeercomposieten zijn eerder getest op mogelijke impactbeschermingstoepassingen. Maar niemand had een manier gevonden om te bestuderen hoe ze precies werken, dus er was geen manier om systematisch te zoeken naar verbeterde combinaties van materialen.

De nieuwe technieken ontwikkeld door de MIT- en Rice-onderzoekers zouden een dergelijke methode kunnen bieden. Hun werk zou de vooruitgang op het gebied van materialen voor toepassingen in carrosserie- en voertuigbepantsering kunnen versnellen; afscherming om satellieten te beschermen tegen inslagen van micrometeoriet; en coatings voor turbinebladen van straalmotoren om te beschermen tegen hogesnelheidsinslagen door zand- of ijsdeeltjes.

De methoden die het team heeft ontwikkeld voor het produceren van high-speed impacts op laboratoriumschaal, en voor het nauwkeurig meten van de effecten, "kan een uiterst nuttig kwantitatief hulpmiddel zijn voor de ontwikkeling van beschermende nanomaterialen, " zegt Leen, de hoofdauteur van het artikel, die veel van dit onderzoek deed toen hij bij MIT's Department of Materials Science and Engineering was. "Ons werk biedt enkele waardevolle inzichten om de bijdrage" van de structuur op nanoschaal aan de manier waarop dergelijke materialen een impact absorberen, te begrijpen, hij zegt.

Omdat het gelaagde materiaal zo'n voorspelbaar, geordende structuur, de effecten van de effecten kunnen eenvoudig worden gekwantificeerd door vervormingen in de dwarsdoorsnede waar te nemen. "Als je wilt testen hoe geordende systemen zich zullen gedragen, "Zanger zegt, "Dit is de perfecte structuur om te testen."

Welke richting werkt het beste

Het team ontdekte dat wanneer de projectielen de lagen frontaal raakten, ze absorbeerden de impact 30 procent effectiever dan bij een edge-on impact. Die informatie kan direct relevant zijn voor het ontwerp van verbeterde beschermende materialen.

Nelson heeft jaren besteed aan het ontwikkelen van technieken die laserpulsen gebruiken om schokgolven op nanoschaal te observeren en te kwantificeren - technieken die voor dit onderzoek zijn aangepast met de hulp van Lee, Veysset en andere teamleden. Ideaal, bij toekomstig onderzoek, het team hoopt de passage van projectielen in realtime te kunnen observeren om een ​​beter begrip te krijgen van de volgorde van gebeurtenissen terwijl het getroffen materiaal vervorming en schade ondergaat, zegt Nelson.

In aanvulling, nu de experimentele methode is ontwikkeld, de onderzoekers willen verschillende materialen en structuren onderzoeken om te zien hoe deze reageren op impacts, Nelson zegt:de samenstelling en dikte van lagen variëren, of andere structuren gebruiken.

Donald Schok, directeur van het Center for Fracture Physics bij SRI International, een non-profit onderzoeksinstituut in Menlo Park, Californië, zegt, "Het is een nieuwe en nuttige benadering die het nodige inzicht zal verschaffen in de mechanismen die bepalen hoe een projectiel beschermende vesten en helmen binnendringt." Hij voegt eraan toe dat deze resultaten "de gegevens leveren die nodig zijn om rekenmodellen te ontwikkelen en te valideren" om het gedrag van impactbeschermende materialen te voorspellen en om nieuwe, verbeterde materialen.

"De sleutel tot het ontwikkelen van materialen met een betere slagvastheid is het begrijpen van vervormings- en faalgedrag aan het uiteinde van een voortschrijdend projectiel, ' zegt Shockey. 'Dat moeten we kunnen zien.'

Het werk werd ondersteund door het onderzoeksbureau van het Amerikaanse leger.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.