Os pesquisadores há muito trabalham para encontrar novos materiais que resistam melhor a perfurações de alta velocidade, mas é difícil conectar os detalhes microscópicos de novos materiais promissores ao seu comportamento real no mundo real.
Para resolver esse problema, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) criaram um novo método que usa projéteis e dados emitidos por laser para ajudar a prever as propriedades microscópicas e o comportamento de um material-alvo, conforme mostrado em um estudo da ACS Applied Materials. & Interfaces artigo. Isso é feito usando um laser de alta intensidade para disparar microprojéteis em velocidades próximas à velocidade do som no material alvo, que neste caso é um filme de polímero que representa o material resistente a perfurações a ser testado.
A troca de energia entre as partículas e a amostra do material testado é analisada em nível microscópico e, em seguida, métodos de escala são usados para prever a resistência do material à perfuração por um projétil maior e de alta energia, como uma bala. Assim, combinar testes com métodos de análise e dimensionamento permite que os cientistas descubram novos materiais resistentes a perfurações. O novo programa reduz a necessidade de uma longa série de experimentos de laboratório usando projéteis e amostras maiores.
A química do NIST, Katherine Evans, explica: "Quando você está investigando um novo material para uma aplicação protetora, com nossa nova abordagem, podemos saber mais cedo se vale a pena investigar suas propriedades protetoras".
Sintetizar pequenas quantidades de um novo polímero pode ser bastante rotineiro em experimentos de laboratório; o desafio é aumentar a quantidade para testar sua resistência à perfuração - materiais feitos de novos polímeros sintéticos, aumentar a escala para quantidades suficientes geralmente é impossível ou impraticável.
O problema com o teste balístico é que há duas etapas que você deve seguir ao fazer um novo material ", diz Christopher Soles, engenheiro de pesquisa de materiais do NIST. Você precisa primeiro sintetizar um novo polímero que considere melhor e, em seguida, dimensionar até o nível do quilograma. A grande conquista deste trabalho é que surpreendentemente descobrimos que os testes microbalísticos podem ser ampliados e vinculados a testes reais em grande escala."
Durante o estudo, os pesquisadores avaliaram vários materiais usando sua metodologia, incluindo amostras de compostos de vidro balístico amplamente utilizados, novos nanocompósitos e materiais de grafeno.
O método de teste é chamado LIPIT, que significa "teste de impacto de projétil induzido por laser. Ele usa um laser para disparar microprojéteis feitos de sílica ou vidro em filmes finos do material de interesse. Por meio da ablação a laser, o laser gera uma alta pressão onda que empurra o material do projétil para dentro da amostra.
Os pesquisadores primeiro usaram o método para analisar um tipo de nanocompósito chamado composto de polimetacrilato de nanopartículas enxertadas com polímero (npPMA). Consiste em nanopartículas de sílica que podem ser usadas em uma ampla gama de aplicações, incluindo coletes à prova de balas. Lasers impulsionam as microbombas em direção ao alvo a velocidades de 100 a 400 metros por segundo, e uma câmera de vídeo é usada para medir seu impacto.
Os pesquisadores combinaram as medições obtidas no npPMA com análises matemáticas adicionais, juntamente com os dados existentes sobre o material da literatura de pesquisa, para relacionar os resultados dos testes de microbomba com os impactos em impactos maiores. Como o npPMA é um novo material que não é facilmente fabricado, eles expandiram sua análise para incluir um composto mais comumente usado (policarbonato), que é amplamente utilizado como vidro à prova de balas.
Usando uma combinação de resultados da literatura, análise dimensional e metodologia do LIPIT, os pesquisadores foram capazes de demonstrar que a resistência à perfuração de um material se correlaciona com a tensão máxima que o material pode suportar antes da fratura (ou seja, a tensão de falha). Isso desafia a compreensão atual do desempenho balístico, que muitas vezes se pensa estar relacionado a como uma onda de pressão passa por um material.
Seu novo método permite determinar o limite de resistência de um material, ou quanto estresse e pressão ele pode suportar, sem ter que medir diretamente essas propriedades de antemão, o que ajuda a otimizar quais materiais escolher em um experimento. Isso permitiu que eles explorassem materiais como o grafeno, o que sugere que várias camadas de filme fino do material poderiam ser usadas para aplicações resistentes a impactos, semelhantes aos polímeros de alto desempenho.
Para os próximos passos, os pesquisadores planejam avaliar as propriedades balísticas de outros materiais novos e investigar diferentes tipos e configurações. Eles também variam o tamanho das microbalas e expandem sua faixa de velocidade.
