Eine Illustration von Kohlenstoffnanoröhren. enot-poloskun/iStock
Da kugelsichere Materialien ihre Bedeutung auf dem Schlachtfeld einmal im Lauf beweisenKampf zwischen der Ukraine und Russland, eine Gruppe von Wissenschaftlern hat ein Material aus Nanoröhren geschmiedet, das Kevlar und Stahl mit seinen einzigartigen chemischen Eigenschaften übertrifft.
Bei der Arbeit an kugelsicheren Materialien betrachten Forscher das Gewicht des Materials als ein Schlüsselthema, um die gepanzerten Einheiten mobil und gleichzeitig sicher zu halten.
Ein Team von Ingenieuren der University of Wisconsin-Madison hat ein neues ultraleichtes Panzerungsmaterial namens „Nanofasermatte“ geschmiedet.
Erhalten Sie mehr Updates zu dieser Geschichte und mehr mit The Blueprint, unserem täglichen Newsletter: Hier kostenlos anmelden.
Die neue Form basiert auf winzigen Kohlenstoffzylindern, die die gleiche Dicke wie ein einzelnes Atom haben. Dieses neue Material, Kohlenstoffnanoröhren genannt, hat sich als vielversprechendes Material der nächsten Generation in verschiedenen Bereichen erwiesen, beispielsweise in der Kampf gegen den Klimawandel oder in Leben retten.
Wie Nanofasermatte hergestellt wird
Die Autoren der Studie verwendeten mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren und kombinierten sie mit Kevlar-Nanofasern, um ein neues kugelsicheres Material zu schaffen. Kohlenstoff-Nanoröhren wurden in der Studie verwendet, da sie in früheren Untersuchungen stoßdämpfende Eigenschaften gezeigt haben.
„Nanofasermaterialien sind sehr attraktiv für Schutzanwendungen, da Fasern im Nanomaßstab im Vergleich zu Fasern im Makromaßstab eine herausragende Festigkeit, Zähigkeit und Steifigkeit aufweisen“, sagt Ramathasan Thevamaran, UW-Madison-Assistenzprofessor für technische Physik, der die Forschung leitete. „KohlenstoffNanoröhrenmatten haben bisher die beste Energieabsorption gezeigt, und wir wollten sehen, ob wir ihre Leistung weiter verbessern können.
Als das Wissenschaftlerteam die Absorptionseigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen herausfand, wandte es sich der Chemie zu. Durch die Einbeziehung des richtigen Verhältnisses von Kevlar-Nanofasern und „Nanofasermatten“ aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen gelang es ihnen, Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Fasern herzustellen, was zur Folge hattein einem dramatischen Leistungssprung.
„Die Wasserstoffbindung ist eine dynamische Bindung, was bedeutet, dass sie kontinuierlich brechen und sich wieder neu bilden kann, wodurch sie durch diesen dynamischen Prozess eine große Menge an Energie abgeben kann“, sagte Thevamaran. „Außerdem sorgen Wasserstoffbrückenbindungen für mehr Steifigkeitzu dieser Wechselwirkung, die die Nanofasermatte stärkt und versteift. Als wir die Grenzflächenwechselwirkungen in unseren Matten modifizierten, indem wir Kevlar-Nanofasern hinzufügten, konnten wir eine fast 100-prozentige Verbesserung der Energiedissipationsleistung bei bestimmten Überschall-Aufprallgeschwindigkeiten erreichen.“
Das neue Material wurde mit einem Mikroprojektil-Aufpralltestsystem getestet, das Mikrogeschosse mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf Materialien abfeuert. Die Testergebnisse zeigten, dass das neue Material einen besseren Schutz gegen Hochgeschwindigkeitseinschläge bietet als Kevlar- oder Stahlplatten.
Die Forscher schätzen, dass das Material das Potenzial hat, Raumfahrzeugen zu ermöglichen, Stöße von Hochgeschwindigkeits-Weltraumschrott.
Zusammenfassung
Das Erreichen extremer dynamischer Leistung in Nanofasermaterialien erfordert die synergistische Nutzung der intrinsischen Nanofasereigenschaften und Wechselwirkungen zwischen den Fasern. Ungeachtet der überlegenen intrinsischen Steifigkeit und Festigkeit von Kohlenstoffnanoröhren CNTs schränkt die schwache Natur der Van-der-Waals-Wechselwirkungen die CNT-Matten einWir präsentieren einen effizienten Ansatz zur Verstärkung der Wechselwirkungen zwischen den Fasern durch die Einführung von Aramid-NanofaserANF-Verbindungen zwischen CNTs, die stärkere und rekonfigurierbare Grenzflächen-Wasserstoffbrückenbindungen und π-π-Stapelwechselwirkungen bilden, was zu einer synergistischen Leistungsverbesserung mit Ausfallverzögerung führtUnter Überschalleinwirkung erhöhen verstärkte Wechselwirkungen in CNT-Matten ihre spezifische Energieabsorption auf bis zu 3,6 MJ/kg, was weit verbreitete Schutzmaterialien auf Basis von Kevlar-Fasern übertrifft-Rate ∼107–108 n–1-Verformungen zeigen zusätzlich eine dehnratenabhängige dynamische Leistungssteigerung.Unsere Ergebnisse zeigen das Potenzial von Nanofasermatten, die mit dynamischen Grenzflächenbindungen – wie Wasserstoffbrückenbindungen – angereichert sind, als Strukturmaterialien niedriger Dichte mit überlegenen spezifischen Eigenschaften und Hochtemperaturstabilität für extreme technische Anwendungen.