Die Ergebnisse eines gemeinsamen Forschungsprojekts wurden gerade in der Zeitschrift veröffentlichtNaturmaterialien von Ingenieuren des MIT, Caltech und der ETH Zürich, die ein Material mit "Nanoarchitektur" hervorgebracht haben, das beweisen könntestärker als Kevlar und Stahl. Dieses Material könnte, sobald es skaliert ist, ein Mittel zur Entwicklung leichter, schützender Abdeckungen, Explosionsschilde und anderer stoßfester Materialien und Rüstungen für verschiedene Industrien bieten.
Durch Verwendung von Nanometer-Kohlenstoffstreben,Das neue Material hat eine beeindruckende Zähigkeit und mechanische Robustheit gezeigt. Das Material wurde getestet, indem Mikropartikel mit Überschallgeschwindigkeit gebrannt wurden, um zu sehen, wie es sich verformt – ganz gut, wie sich herausstellt.
Das Material ist weniger als ein menschliches Haar breit, kann aber dennoch verhindern, dass die winzigen Hochgeschwindigkeitspartikel eindringen. Laut den Forschern hinter dem Projekt im Vergleich zu Stahl-Kevlar, Aluminium-Rotorschlagfeste Materialien Bei vergleichbarem Gewicht übertrifft die neue Nanotech-Rüstung alle.
„Die gleiche Masse unseres Materials würde ein Projektil viel effizienter stoppen als die gleiche Masse Kevlar“, erklärt der Hauptautor der Studie, Carlos Portela, Assistenzprofessor für Maschinenbau am MIT.
Dies könnte möglicherweise bedeuten, dass das neue Material bei einer Produktion in größerem Maßstab in der Lage sein sollte, eine sehr robuste, leichte Alternative zu konventionelleren schlagfesten Materialien wie Kevlar oder Stahlblech bereitzustellen.
„Das Wissen aus dieser Arbeit … könnte Konstruktionsprinzipien für ultraleichte schlagfeste Materialien [zur Verwendung in] effizienten Panzermaterialien, Schutzbeschichtungen und sprengungsbeständigen Schilden liefern, die in Verteidigungs- und Raumfahrtanwendungen wünschenswert sind“, fügte der Co der Studie hinzu-Autor Julia R. Greer, Professorin für Materialwissenschaften, Mechanik und Medizintechnik am Caltech.
Diese neue Nanotech-Rüstung ist potenziell härter als Kevlar, aber viel leichter
Um die Zähigkeit ihres neuen Materials zu testen, beschlossen die Ingenieure, es mit Überschallpartikeln zu bombardieren und zu untersuchen, wie es reagiert. Dies wurde zuerst am Caltech durchgeführt, das ein Stück des Nanomaterials verwendete, das mit Zwei-Photonen-Lithographie hergestellt wurde, um eine herzustellen.Tetrakaidekaeder eine Gitterkonfiguration bestehend aus mikroskopischen Streben.
Diese Struktur,Die Autoren der Studie stellen fest, dass es in der Vergangenheit in energieabsorbierenden Schäumen verwendet wurde. Der Grund dafür ist, dass Kohlenstoff normalerweise ziemlich spröde ist, aber diese 3D-Struktur sollte ihm die Flexibilität verleihen, die erforderlich ist, um sich schnell zu verformen, ohne vollständig zu brechen.
Nach der Herstellung wurde das Material gewaschen, um Harzreste zu entfernen, und dann in einem Hochtemperatur-Vakuumofen gebacken, um das Polymer in eine ultraleichte Nanostruktur aus reinem Kohlenstoff umzuwandeln.
Nachdem das Material fertig war, wurde es hochenergetischen Stößen von 14 Mikrometer breiten kugelförmigen Siliziumoxid-Partikeln ausgesetzt. Die Partikel wurden mit Lasern, die durch einen gold- und siliziumoxidbeschichteten Glasobjektträger fokussiert wurden, auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt.
Dieser Prozess führt zur Erzeugung von Plasma aus dem Gold, wobei Partikel des Siliziumoxids in Richtung des Lasers herausgedrückt werden -- sehr schnell. Dieser Aufbau ermöglichte es den Forschern, die Geschwindigkeit der gebrannten Mikropartikel genau so zu steuern, dass sie konntenTestgeschwindigkeiten zwischen 89,5 mph 40 Meter pro Sekunde und 2.461 mph 1.100 Meter pro Sekunde.
Als Referenz, dieSchallgeschwindigkeit ist 761 mph ca. 340 Meter pro Sekunde auf Meereshöhe.
Die Einschläge wurden mit Hochgeschwindigkeitskameras aufgenommen und die Ergebnisse sorgfältig untersucht, um zu sehen, wie das Material reagierte. Bei Verwendung von zwei verschiedenen Dichten stellten sie fest, dass die dichtere Variante mit dickeren Streben widerstandsfähiger war und Partikel dazu neigten, sich darin einzubettenMaterial, anstatt es durchzureißen.
Durch weitere Studien, einschließlich Schnitten, fanden sie heraus, dass sie sogar vorhersagen konnten, wie das Material mit der reagiert.Buckingham-Π-Satz wird normalerweise verwendet, um Meteoriteneinschläge zu studieren.
In Zukunft hofft das Team, seine Ergebnisse nutzen zu können, um die Stoßfestigkeit anderer nanoarchitektonischer Materialien und Konfigurationen sowie anderer Materialien jenseits von Kohlenstoff vorherzusagen.
„Nanoarchitektierte Materialien sind wirklich vielversprechend als stoßmindernde Materialien“, sagt Portela. „Es gibt vieles, was wir noch nicht über sie wissen, und wir beschreiten diesen Weg, um diese Fragen zu beantworten und die Tür zu ihren weit verbreiteten Anwendungen zu öffnen.“
Diese Forschung wurde teilweise vom US Office of Naval Research, dem Vannevar Bush Faculty Fellowship und dem US Army Research Office durch das Institute for Soldier Nanotechnologies am MIT unterstützt.
Sie können die ursprüngliche Forschungsarbeit in der Zeitschrift lesenNaturmaterialien.