Разработан новый сверхлегкий материал для бронежилетов, который прочнее кевлара
Инженеры из Калифорнийского технологического института, Массачусетского технологического института и ETH в Цюрихе разработали материал с нано-архитектурой, сделанный из крошечных углеродных нановолокон. Он останавливает частицы, движущихся со сверхзвуковой скоростью, более эффективно, чем кевлар, материал, обычно используемый в средствах индивидуальной защиты.
Материал, пряди которого тоньше человеческого волоса, состоит из соединенных между собой тетрадекаэдров из пиролитических углеродов — углеродных стержней, образовавшихся при сильном нагреве. Тетракаидекаэдры — это структуры с 14 гранями: шесть с четырьмя сторонами и восемь с восемью сторонами. Эти 14-гранные структуры иногда называют «ячейками Кельвина» в честь лорда Кельвина, физика, который считал, что наилучшей формой будет заполнение пустого трехмерного пространства объектами одинакового размера с использованием минимальной площади поверхности.
Материал с наноархитектурой состоит из оригинальных структур нанометрового масштаба, которые имеют уникальные свойства — исключительную легкость и упругость. Предоставлено исследователями
В то время как углерод обычно хрупок, расположение и небольшие размеры распорок в материале с наноархитектурой создают упругую архитектуру.
Исследователи изготовили материал из светочувствительного полимера с помощью двухфотонной литографии — метода, в котором для отверждения и формирования микроскопических структур используется высокоскоростной лазер. После обработки высокой температурой материал превратился в сверхлегкий углеродный полимер, напоминающий специальные пенопласты, которые применяются для поглощения ударов.
В процессе исследований было обнаружено, что материал можно «настраивать», то есть придавать ему различные свойства или изменять характеристики, корректируя параметры углеродных распорок.
При испытании опытных образцов в них были выстрелены сферические микро-снаряды оксида кремния диаметром 14 микрон со скоростью от 40 до 1100 м/с. Запись столкновений велась высокочастотными камерами, что позволило в деталях рассмотреть процесс при различных конфигурациях углеродных стоек. В итоге специалисты подобрали оптимальные параметры стоек, при которых частицы проникали в материал и задерживались в нем, не пролетая насквозь.
Исследователи проверили устойчивость материала, стреляя в него микрочастицами на сверхзвуковой скорости, и обнаружили, что материал, который тоньше человеческого волоса, не позволяет миниатюрным снарядам разорвать его. Фото: Массачусетский технологический институт / Предоставлено исследователями
При более внимательном рассмотрении выяснилось, что отдельные стойки, непосредственно окружающие частицу, могут сминаться, но вся конструкция оставалась неповрежденной
Данный материал может поглощать много энергии, обладая свойствами ударного уплотнения стоек в наномасштабе. Он превосходит сталь более чем на 100 процентов и композиты из кевлара более чем на 70 процентов.
Свойства материала выглядят многообещающе: он может быть тоньше человеческого волоса, при этом принимает и поглощает удары гораздо эффективнее стали, алюминия и кевлара. Предоставлено исследователями.
Результаты исследований, могут помочь в создании сверхлегких ударопрочных материалов, которые будут использоваться для изготовления брони, защитных покрытий и взрывозащищающих экранов, поэтому они идеально подходят для применения в оборонной промышленности и космических программах.
Но чтобы материал можно было использовать в реальных устройствах, исследователям необходимо будет найти способы масштабирования его производства и изучить, как другие материалы с наноархитектурой, в том числе сделанные из материалов, отличных от углерода, выдерживают высокие скорости ударов.
Исследователи могут прогнозировать ущерб, который будет нанесен материалу, используя математическую модель для оценки последствий ударов метеоритов. Предоставлено исследователями