Os pesquisadores há muito tempo trabalham para encontrar novos materiais mais protegidos contra furos 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) desenvolveram um novo método que usa projéteis e dados emitidos por laser para ajudar a prever as propriedades microscópicas e o comportamento dos materiais-alvo, de acordo com um artigo da ACS Applied Materials. & Interfaces, LaserMade.com entende. Isso é feito usando um laser de alta intensidade para ejetar um microprojétil próximo à velocidade do som em um 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, um método de escala é usado para prever a resistência do material à perfuração por um projétil maior de alta energia, como uma bala. Dessa forma, combinando testes com métodos de análise e dimensionamento, os cientistas podem descobrir 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 estuda um novo material para uma aplicação protetora, com nossa nova abordagem, podemos ter uma ideia anterior se vale a pena estudar 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 onde aumentar a escala para quantidades suficientes geralmente é impossível ou impraticável.
O problema com o teste balístico é que há duas etapas a serem seguidas na fabricação de novos materiais ", disse Christopher Soles, engenheiro de pesquisa de materiais do NIST. Você precisa sintetizar um novo polímero que considere melhor e, em seguida, aumentá-lo ao 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 usaram seu método para avaliar vários materiais, incluindo compostos de vidro balístico amplamente utilizados, novos nanocompósitos e amostras de 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 um microprojétil feito de sílica ou vidro em uma película fina do material de interesse. Através da ablação a laser, o laser produz uma onda de pressão que empurra o material do microprojétil para dentro da amostra.
Os pesquisadores primeiro usaram o método para analisar um nanocompósito chamado composto de polimetacrilato de nanopartículas enxertadas com polímero (npPMA). Consiste em nanopartículas de sílica e pode ser usado em uma ampla gama de aplicações, incluindo coletes à prova de balas. Um laser impulsiona as microbalas em direção ao material alvo a velocidades de 100 a 400 metros por segundo, e uma câmera é usada para medir seu impacto.
Os pesquisadores combinaram as medições obtidas no npPMA com análises matemáticas adicionais, juntamente com dados disponíveis sobre o material da literatura de pesquisa, para relacionar os resultados dos testes de microlastro ao impacto em um impacto maior. 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 do material está relacionada à tensão máxima que o material pode suportar antes da fratura (ou seja, tensão de falha). Isso desafia a compreensão atual do desempenho balístico, que normalmente se pensa estar relacionado a como as ondas de pressão passam por um material.
Seu novo método pode determinar o limite de resistência de um material, ou quanta tensão e pressão ele pode suportar, sem 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 a próxima etapa, os pesquisadores planejam avaliar as propriedades balísticas de outros novos materiais e estudar diferentes tipos e configurações. Eles também variam o tamanho das microbombas e expandem sua faixa de velocidade.
