子彈刺穿急救人員的防護(hù)裝甲、水母蜇傷游泳者、微隕石撞擊衛(wèi)星：刺穿材料的高速射彈以多種形式出現(xiàn)。研究人員不斷致力于尋找能夠更好地抵抗這些高速穿刺事件的新材料，但很難將有前途的新材料的微觀細(xì)節(jié)與其在現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際行為聯(lián)系起來(lái)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的研究人員設(shè)計(jì)了一種方法，使用高強(qiáng)度激光以接近聲速的速度將微型彈丸射入小樣本中。該系統(tǒng)在微觀層面上分析粒子和感興趣的樣品之間的能量交換，然后使用縮放方法來(lái)預(yù)測(cè)材料對(duì)較大高能射彈(例如現(xiàn)實(shí)世界中遇到的子彈)的穿刺阻力。《ACSAppliedMaterials&Interfaces》雜志中描述的這種新方法減少了使用更大的彈丸和更大的樣品進(jìn)行一系列冗長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的需要。
“當(dāng)您正在研究一種新材料的防護(hù)應(yīng)用時(shí)，如果該材料沒(méi)有成功，您不想浪費(fèi)時(shí)間、金錢(qián)和精力來(lái)擴(kuò)大測(cè)試規(guī)模。通過(guò)我們的新方法，我們可以更早地看到它是否符合要求。NIST化學(xué)家凱瑟琳·埃文斯(KatherineEvans)表示：“這種材料的防護(hù)性能值得研究。”
在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，合成少量的新聚合物(例如，從咖啡杯大小的玻璃器皿中合成幾毫克)可能是相當(dāng)常規(guī)的。挑戰(zhàn)在于擴(kuò)大生產(chǎn)公斤數(shù)的材料以測(cè)試其抗穿刺性。對(duì)于由新型合成聚合物制成的材料，擴(kuò)大到足夠的數(shù)量通常是不可能或不切實(shí)際的。
“彈道測(cè)試的問(wèn)題在于，制造新材料時(shí)必須采取兩個(gè)步驟。你需要合成一種你認(rèn)為會(huì)更好的新聚合物，然后將其放大到公斤大小。這是一個(gè)很大的跳躍。最大的成就這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是，我們令人驚訝地表明，微彈道測(cè)試可以擴(kuò)展并與現(xiàn)實(shí)世界的大規(guī)模測(cè)試聯(lián)系起來(lái)，”NIST材料研究工程師ChristopherSoles說(shuō)。
在研究過(guò)程中，研究人員使用他們的方法評(píng)估了幾種材料，包括廣泛使用的防彈玻璃化合物、新型納米復(fù)合材料以及被稱為石墨烯的堅(jiān)固全碳材料。
該測(cè)試稱為L(zhǎng)IPIT，代表激光誘導(dǎo)彈丸沖擊測(cè)試。它使用激光將由二氧化硅或玻璃制成的微彈發(fā)射到感興趣材料的薄膜中。通過(guò)稱為激光燒蝕的過(guò)程，激光產(chǎn)生高壓波，將微彈材料推向樣品。
研究人員首先使用該方法分析了一種稱為聚合物接枝納米顆粒聚甲基丙烯酸酯(npPMA)復(fù)合材料的納米復(fù)合材料。它由二氧化硅納米粒子組成，可用于包括防彈衣在內(nèi)的廣泛應(yīng)用。激光以每秒100至400米的速度推動(dòng)微彈射向目標(biāo)材料，并使用攝像機(jī)測(cè)量其影響。
研究人員將在npPMA上獲得的測(cè)量結(jié)果與額外的數(shù)學(xué)分析結(jié)合起來(lái)，同時(shí)結(jié)合研究文獻(xiàn)中材料的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，將微彈測(cè)試的結(jié)果與更大規(guī)模的影響聯(lián)系起來(lái)。由于npPMA是一種新穎材料且不易制造，因此他們擴(kuò)大了分析范圍，將一種更常用的化合物(稱為聚碳酸酯)納入其中，該化合物被廣泛用作防彈玻璃。
結(jié)合使用文獻(xiàn)結(jié)果、尺寸分析和LIPIT的方法，研究人員能夠證明材料的耐穿刺性與材料在斷裂之前可以承受的最大應(yīng)力(稱為失效應(yīng)力)相關(guān)。這挑戰(zhàn)了目前對(duì)彈道性能的理解，通常認(rèn)為彈道性能與壓力波如何穿過(guò)材料有關(guān)。
他們的新方法可以確定材料的強(qiáng)度極限，或者它可以承受多少應(yīng)力和壓力，而無(wú)需事先直接測(cè)量這些特性，這有助于優(yōu)化在實(shí)驗(yàn)中選擇哪些材料。這使得他們能夠探索石墨烯等材料，這表明該材料的多個(gè)薄膜層可以用于與高性能聚合物類(lèi)似的抗沖擊應(yīng)用。
“這種新范例為我們提供了一種新的實(shí)驗(yàn)工具來(lái)評(píng)估一些石墨烯和其他二維材料的宣傳，這些材料預(yù)計(jì)具有優(yōu)異的防彈性能。我們有可能通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這些材料是否會(huì)優(yōu)于聚碳酸酯等經(jīng)典防彈材料，即使不擴(kuò)大新型二維材料的合成規(guī)模，這將是非常昂貴的，”索爾斯說(shuō)。
他們的方法可以幫助識(shí)別許多應(yīng)用的新材料，例如增材制造、航天器保護(hù)、更好的防動(dòng)物咬傷防護(hù)裝備，甚至藥物輸送。研究人員正在研究開(kāi)發(fā)無(wú)針注射，其中稱為液體射流的高速流體流刺穿皮膚。雖然許多應(yīng)用旨在避免刺穿，但LIPIT可以在這種情況下提供有關(guān)如何使用液體射流作為射彈最有效地穿透皮膚的見(jiàn)解。
至于下一步，研究人員正在尋求多種途徑。他們計(jì)劃評(píng)估其他新型材料的防彈性能，并研究不同的類(lèi)型和配置。他們還將改變微彈的尺寸并擴(kuò)大其速度范圍。
NIST研究人員還希望將LIPIT的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與兩種類(lèi)型的模擬聯(lián)系起來(lái)。一種是有限元分析(FEA)，其中將感興趣的對(duì)象建模為一組互連的簡(jiǎn)單部件。FEA傳統(tǒng)上用于模擬整個(gè)樣品的機(jī)械變形。有時(shí)，研究人員執(zhí)行FEA模擬的速度比實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)更快。然而，NIST材料科學(xué)工程師EdwinChan表示，最終模擬必須與實(shí)際材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。
第二種模擬方法稱為分子動(dòng)力學(xué)(MD)。這是一種規(guī)模小得多的模擬，著眼于聚合物等材料分子水平的行為。MD可以探索彈丸撞擊材料后聚合物成分(例如分子鏈)如何變形。
“由于我們無(wú)法直接看到聚合物鏈的作用，MD具有洞察力，因?yàn)樗屛覀兏玫亓私鉃槭裁茨承┚酆衔锞哂懈玫目箾_擊性，”Chan說(shuō)。
研究人員希望他們的方法能夠?yàn)檠芯坎牧系男袨殚_(kāi)辟許多新的可能性。
“通過(guò)這種方法，我們可以問(wèn)，“我們還可以改變系統(tǒng)中的哪些其他東西，或者我們?nèi)绾吾槍?duì)特定應(yīng)用改進(jìn)材料?”您可以改變材料的幾何形狀，而不是改變材料的成分?；蛘吣梢匝芯孔匀唤绲牟牧喜⒂^察其行為，”埃文斯說(shuō)。
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