Легкий вес и тонкая форма - два очень желанных атрибута, когда речь идет о материалах для брони следующего поколения, и мы видим, что ученые добиваются впечатляющих успехов в этой области, вдохновленные всем, от морских улиток до чешуи животных и тонко настроенной пены. Последний пример принадлежит материаловедам из Массачусетского технологического института, которые использовали передовую наноразмерную инженерию для создания нового материала брони, который, по их словам, превосходит кевлар и сталь.
Отправной точкой для многообещающего нового материала была светочувствительная смола, которую обрабатывали лазером, чтобы сформировать решетчатую структуру, состоящую из повторяющихся микроскопических распорок. Затем этот материал был помещен в высокотемпературную вакуумную камеру, которая превратила полимер в сверхлегкий углерод с архитектурой, первоначально вдохновленной специальными пенами, предназначенными для поглощения ударов.
«Исторически такая геометрия проявляется в энергосберегающих пенах», - говорит ведущий автор Карлос Портела. «Хотя углерод обычно хрупок, расположение и небольшие размеры распорок в наноархитектурном материале приводят к эластичной архитектуре с преобладанием изгиба».
Команда обнаружила, что свойства этого решетчатого материала можно изменить, путем доводки его точно настроенной архитектуры, с различным расположением углеродных распорок, придающих ему разные свойства. Это обычная характеристика материалов, состоящих из наноразмерных структур, но команда использовала интересный подход для изучения этих эффектов в реальных условиях.
В ходе испытаний ученые из Массачусетского технологического института разработали усовершенствованный материал, который поглощает снаряды частиц, а не разрывается при ударе. Фото: MIT
«Мы знаем только об их реакции в режиме медленной деформации, в то время как большая часть их практического использования предполагается в реальных приложениях, где ничто не деформируется медленно», - говорит Портела.
Эксперименты по удару включали предметное стекло, покрытое золотой пленкой и частицами оксида кремния с одной стороны. Затем сверхбыстрый лазер направлял луч на слайд и генерировал плазму или быстро расширяющийся газ, который отправляет частицы, отлетающие с поверхности к цели. Регулировка мощности лазера, в свою очередь, регулирует скорость «снарядов», позволяя ученым экспериментировать с диапазоном скоростей при изучении потенциала их нового материала брони.
Частица, влетевшая в усовершенствованный броневой материал Массачусетского технологического института во время испытаний. Фото: MIT
Это включало стрельбу частицами со скоростью от 40 до 1100 м/с, что значительно превышает сверхзвуковые скорости, с использованием высокоскоростных камер, используемых для захвата (съемки) событий ударного столкновения для изучения. Этот подход также позволил протестировать различные конструкции с карбоновыми распорками разной толщины и позволил команде найти оптимальную конструкцию, благодаря которой частицы внедрялись в материал, а не прорывались насквозь.
«Мы показываем, что материал может поглощать много энергии из-за этого механизма ударного уплотнения (сжатия) распорок на наноуровне, по сравнению с чем-то полностью плотным и монолитным, но не наноархитектурным», - говорит Портела.
Согласно результатам анализа материала, который тоньше человеческого волоса, он может поглощать удары более эффективно, чем сталь, алюминий или даже кевлар сопоставимого веса. Таким образом, расширение этого подхода могло бы стать основой для альтернативной брони, которая легче и прочнее, чем традиционные материалы.
Новый броневой материал на основе углерода, разработанный в Массачусетском технологическом институте, тоньше человеческого волоса. Фото: MIT
«Знания, полученные в этой работе… могут предоставить принципы проектирования сверхлегких ударопрочных материалов для использования в эффективных броневых материалах, защитных покрытиях и взрывозащищенных щитах, желательных в оборонных и космических применениях», - говорит соавтор Джулия Р. Грир.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.
