Air Force Research Laboratory, tillsammans med forskningspartners vid Los Alamos National Laboratory, arbetar för att förändra materialteknologins form med en banbrytande utveckling som kan öppna upp en ny rad möjligheter för militären och utanför.

Genom ett flygvapenkontor för vetenskaplig forskning finansierat grundforskning, det samarbetsteamet utvecklade en 3D-tryckt polymerbaserad skumstruktur som reagerar på kraften från en stötvåg för att fungera som en envägsbrytare, ett länge eftertraktat mål inom chockforskning.

Enligt AFRL Senior Materials Research Engineer Dr. Jonathan Spowart, denna nya materialkonfiguration, även om det är i de tidiga utvecklingsstadierna, har potential att skalas upp för att kunna användas på olika sätt för en mängd olika applikationer, inklusive för skydd av strukturer.

Spowart beskriver materialet som en skumliknande struktur som innehåller en serie specifikt konstruerade små hål som bestämmer de övergripande beteendeegenskaperna. Under en period av månader, AFRL-experter använde datormodellering för att köra försök för att bestämma de mest effektiva hålgeometrierna för att uppnå önskad materialrespons. När de skulle komma fram till en lovande konfiguration, Spowart säger att laget skulle skriva ut en liten testartikel, en platt platta inte mycket större än ett suddgummi. Med hjälp av Los Alamos National Laboratory, arbetar på plats på användaranläggningen för Dynamic Compression Sector vid Argonne National Laboratory, de skulle sedan utföra tester och avbilda provet med hjälp av röntgenstrålar för att fastställa prestanda.

Därifrån, AFRL-teamet skulle granska resultaten och finjustera materialkonfigurationen för att ytterligare förfina produkten genom ytterligare modellering och testning. Spowart beskrev slutprodukten som innehållande en serie ihåliga koner. När dessa kottar stöter på en stötvåg, de kollapsar inåt, bildar jetutsprång som skjuter ut från motsatt sida. Dessa strålar lokaliserar stötvågsenergin, som är ursprunget till materialets unika riktningsbeteende.

Spowart säger att denna ansträngning representerar ett betydande genombrott inom materialteknik. Han tillskriver denna framgång samarbetet, kommunikation, och expertis hos teamen på AFRL, Los Alamos, och Argonne National Laboratory, samt grundforskningsfinansieringen från AFOSR.

"Materialtekniken kom från AFRL, " han sa, kreditering av projektgruppens modellerings- och materialexpertis. "Testfaciliteterna och testmetoden kom från Los Alamos. Så när du sätter ihop de två sakerna, du får ett riktigt bra lag."

Han tillägger att den anmärkningsvärda testavbildningen från Argonne National Laboratory var avgörande för att bevisa konceptet. Han förklarade att laboratoriets Advanced Photon Source synkrotron är en unik utrustning som avfyrar en mycket kraftfull och koncentrerad röntgenstråle mot testartikeln, möjliggör bild-för-bild-avbildning av en stötvåg som penetrerar provet, allt detta sker inom några nanosekunder.

"Denna nya bildförmåga, tillsammans med den nya tillverkningstekniken och datorsimuleringar, tillät laget att få bilder och utvärdera koncept på sätt som var långt bortom räckhåll för bara några år sedan, " sa AFRL Senior Mechanical Engineer och teammedlem Dr Christopher Neel.

"Den dynamiska kompressionssektorn är en unik anläggning som möjliggör in-situ avbildning av dynamiska händelser och ger oss oöverträffad information om de mikrostrukturella effekterna på dynamiskt beteende, " tillade Los Alamos National Laboratory-forskaren Brittany Branch, som ledde de dynamiska experimenten. "Traditionell chockkompressionsdiagnostik skulle inte belysa de lokaliseringsfenomen som uppstår under chockkomprimering. Vi skulle se en skillnad i chockhastighet med traditionella tekniker, men förstår inte varför. Dessa experiment var väldigt spännande, sedan vi visade en stötdiod för första gången."

Spowart sa att laget planerar att publicera sina resultat och arbeta för att överföra tekniken för ytterligare mognad och integration i befintliga system, där han tror att denna teknik har en enorm potential. "Vi är mycket glada över denna insats och det lagarbete som gjorde det möjligt. Det här är ett bra exempel på vad grundforskning kan göra för att stärka vår förmåga."