Защитный материал нового поколения: наноброня из углерода прочнее кевлара и стали
Ученые разработали материал, который при равном весе поглощает энергию удара эффективнее современной брони
Легкий вес и тонкая форма — два желанных атрибута, когда речь идет о материалах для брони следующего поколения. Мы уже неоднократно были свидетелями того, что ученые добиваются впечатляющих успехов в этой области. Вдохновением для них служит все, от морских улиток до чешуи животных и особой полимерной пены. Но на этом настоящая работа лишь начинается.
Отправной точкой для нового многообещающего материала стала светочувствительная смола, которую обрабатывали лазером, чтобы сформировать решетчатую структуру, состоящую из повторяющихся микроскопических распорок. Затем этот материал был помещен в высокотемпературную вакуумную камеру, превратившую полимер в сверхлегкий углерод с структурой, которая напоминает структуру пенистых полимеров, предназначенных для поглощения ударов.
«Исторически такая геометрия материала впервые применялась в энергосберегающих пенах», — пояснил ведущий автор Карлос Портела. «Хотя углерод обычно хрупок, особое расположение и небольшие размеры распорок в наноархитектурном материале приводят к тому, что в структуре начинают преобладать изгибы».
Команда обнаружила, что свойства этого решетчатого материала можно изменить, изменяя расположение углеродных включений. Для того, чтобы измерить степень поглощения ударной энергии, предметное стекло покрыли золотой пленкой и частицами оксида кремния с одной стороны. Затем на него направили сверхбыстрый лазер, что привело к появлению плазмы. Регулировка мощности лазера, в свою очередь, регулирует скорость полета частичек нагретого газа, позволяя ученым экспериментировать с диапазоном их скоростей и получать более точное представление о свойствах материала.
Испытание началось с запуска частиц со скоростью в диапазоне от 40 до 1100 метров в секунду, и отследить их удалось только с помощью высокоскоростных камер. Подобный подход также позволил протестировать различные конструкции с углеродными стойками разной толщины и в результате подобрать оптимальную конструкцию, благодаря которой частицы внедрялись в материал, а не проходили сквозь него.
«Оказалось, что наш материал может поглощать много энергии благодаря механизму ударного уплотнения стоек в наномасштабе, особенно если сравнивать его с чем-нибудь плотным и более однородным», — пояснил Портела.
Согласно результатам анализа материала, при толщине меньше человеческого волоса он может поглощать удары более эффективно, чем сталь, алюминий или даже кевлар сопоставимого веса. Таким образом, расширение этого подхода могло бы стать основой для создания альтернативных видов брони, которая будет легче и прочнее современных аналогов.