Вес часто является ключевым фактором для ученых, раздвигающих границы пуленепробиваемых материалов, представляя себе броню, которая обеспечивает безопасность владельца, а также повышает его мобильность. Инженеры из Университета Висконсин-Мэдисон создали новый тип сверхлегкого броневого материала, описанного как «мат из нановолокна», который обладает уникальным химическим составом, позволяющим ему превзойти кевлар и сталь.
Основой этой новой формы брони являются крошечные цилиндры из углерода толщиной в один атом. Названные углеродными нанотрубками, они продемонстрировали многообещающие материалы следующего поколения для всего: от исследования транзисторов до лечения потери зрения и устройств обнаружения бомб.
При адаптации углеродных нанотрубок для использования в броневых материалах авторы этого нового исследования взяли их многостенные версии и объединили их с кевларовыми нановолокнами. Идея заключалась в том, чтобы опираться на более ранние исследования, демонстрирующие потенциал этих материалов в поглощении ударов, чтобы посмотреть, нельзя ли превратить их в еще более функциональное решение для брони.
«Нановолоконные материалы очень привлекательны для защитных применений, потому что нановолокна обладают выдающейся прочностью, ударной вязкостью и механической жесткостью по сравнению с макроволокнами», — сказал Раматасан Тевамаран, руководитель исследования. «Маты из углеродных нанотрубок до сих пор демонстрировали наилучшее поглощение энергии, и мы хотели посмотреть, сможем ли мы еще больше улучшить их характеристики».
Для этого ученые возились с химией, пока не нашли победный рецепт. Они синтезировали кевларовые нановолокна и включили лишь небольшое их количество в «маты», состоящие из углеродных нанотрубок, с правильным соотношением того и другого, что привело к образованию водородных связей между волокнами. Результатом этих связей стал резкий скачок в эффективности.
«Водородная связь — это динамическая связь, а это означает, что она может непрерывно разрываться и снова образовываться, позволяя ей рассеивать большое количество энергии в этом динамическом процессе», — сказал Тевамаран. «Кроме того, водородные связи придают большую жесткость этому взаимодействию, что укрепляет и придает жесткость мату из нановолокна. Когда мы модифицировали граничные взаимодействия в наших матах, добавив кевларовые нановолокна, мы смогли добиться почти 100-процентного улучшения характеристик рассеивания энергии при определенных сверхзвуковых скоростях удара».
Команда испытала материал с помощью системы испытаний на удар микроснарядов, в которой лазеры используются для запуска микропуль в образцы материала с различной скоростью.
«Наша система разработана таким образом, что мы можем выбрать одну пулю под микроскопом и выстрелить ею в цель очень контролируемым образом, с очень контролируемой скоростью, которая может варьироваться от 100 метров в секунду на всем пути до более чем 1 километра в секунду», — сказал Тевамаран. «Это позволило нам проводить эксперименты в масштабе времени, когда мы могли наблюдать за реакцией материала — когда происходят взаимодействия водородных связей».
Эти эксперименты показали, что новый материал защищает от высокоскоростных ударов лучше, чем ткань из кевлара и стальные пластины. Это обеспечивает основу для высокоэффективных сверхлегких броневых материалов, и не только в бронежилетах. По словам исследователей, этот материал может позволить космическим кораблям поглощать удары высокоскоростного космического мусора.
«Наши маты из нановолокна обладают защитными свойствами, которые намного превосходят другие системы материалов при гораздо меньшем весе», — сказал Тевамаран.
Исследование было опубликовано в журнале ACS Nano.
Источник: University of Wisconsin–Madison