Los investigadores han estado trabajando durante mucho tiempo para encontrar nuevos materiales que estén mejor protegidos contra los pinchazos de alta velocidad, pero es difícil conectar los detalles microscópicos de los nuevos materiales prometedores con su comportamiento real en el mundo real.
Para abordar este problema, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han ideado un nuevo método que utiliza proyectiles y datos emitidos por láser para ayudar a predecir las propiedades microscópicas y el comportamiento de los materiales objetivo, según un artículo en ACS Applied Materials. e interfaces, LaserMade.com entiende. Esto se hace mediante el uso de un láser de alta intensidad para expulsar un microproyectil casi a la velocidad del sonido en un material objetivo, que en este caso es una película de polímero que representa el material resistente a la punción que se va a probar.
El intercambio de energía entre las partículas y la muestra del material analizado se analiza a nivel microscópico y luego se utiliza un método de escalado para predecir la resistencia del material a la perforación por un proyectil más grande de alta energía, como una bala. De esta forma, al combinar las pruebas con los métodos de análisis y escalado, los científicos pueden descubrir nuevos materiales resistentes a los pinchazos. El nuevo programa reduce la necesidad de una larga serie de experimentos de laboratorio utilizando proyectiles más grandes y muestras más grandes.
Katherine Evans, química del NIST, explica: "Cuando se estudia un nuevo material para una aplicación protectora, con nuestro nuevo enfoque, podemos tener una idea más temprana de si vale la pena estudiar sus propiedades protectoras".
La síntesis de pequeñas cantidades de un nuevo polímero puede ser bastante rutinaria en los experimentos de laboratorio; el desafío es aumentar la cantidad para probar su resistencia a la punción: materiales hechos de nuevos polímeros sintéticos donde la ampliación a cantidades suficientes a menudo es imposible o poco práctica.
El problema con las pruebas balísticas es que hay dos pasos que debe seguir para fabricar nuevos materiales ", dijo Christopher Soles, ingeniero de investigación de materiales en NIST. Debe sintetizar un nuevo polímero que crea que es mejor y luego escalarlo. al nivel de kilogramo. El gran logro de este trabajo es que, sorprendentemente, descubrimos que las pruebas microbalísticas se pueden ampliar y vincular a pruebas del mundo real a gran escala".
Durante el estudio, los investigadores utilizaron su método para evaluar varios materiales, incluidos compuestos de vidrio balístico ampliamente utilizados, nuevos nanocompuestos y muestras de materiales de grafeno.
El método de prueba se llama LIPIT, que significa "Prueba de impacto de proyectil inducido por láser". Utiliza un láser para disparar un microproyectil hecho de sílice o vidrio en una película delgada del material de interés. A través de la ablación láser, el láser produce una alta onda de presión que empuja el material del microproyectil hacia la muestra.
Los investigadores utilizaron por primera vez el método para analizar un nanocompuesto llamado compuesto de polimetacrilato de nanopartículas injertadas con polímeros (npPMA). Consiste en nanopartículas de sílice y podría usarse en una amplia gama de aplicaciones, incluidos los chalecos antibalas. Un láser impulsa las microbalas hacia el material objetivo a velocidades de 100 a 400 metros por segundo, y se usa una cámara para medir su impacto.
Los investigadores combinaron las medidas obtenidas en npPMA con análisis matemáticos adicionales, junto con los datos disponibles sobre el material de la literatura de investigación, para relacionar los resultados de las pruebas de microbalasto con el impacto en un impacto mayor. Dado que npPMA es un material nuevo que no se fabrica fácilmente, ampliaron su análisis para incluir un compuesto más comúnmente utilizado (policarbonato), que se usa ampliamente como vidrio a prueba de balas.
Usando una combinación de resultados de la literatura, análisis dimensional y la metodología de LIPIT, los investigadores pudieron demostrar que la resistencia a la perforación del material está relacionada con la tensión máxima que el material puede soportar antes de la fractura (es decir, tensión de falla). Esto desafía la comprensión actual del rendimiento balístico, que generalmente se cree que está relacionado con la forma en que las ondas de presión atraviesan un material.
Su nuevo método puede determinar el límite de resistencia de un material, o cuánto estrés y presión puede soportar, sin medir directamente estas propiedades de antemano, lo que ayuda a optimizar qué materiales elegir en un experimento. Esto les permitió explorar materiales como el grafeno, lo que sugiere que múltiples capas delgadas del material podrían usarse para aplicaciones resistentes a impactos, similares a los polímeros de alto rendimiento.
Para el próximo paso, los investigadores planean evaluar las propiedades balísticas de otros materiales nuevos y estudiar diferentes tipos y configuraciones. También variarán el tamaño de las microbombas y ampliarán su rango de velocidad.
