Armé- och MIT -forskare avancerade en unik experimentell enhet för att bättre testa hållbarheten hos högpresterande och robusta polymermaterial som verkar stärka sig själva under attack av snabb inverkan.

Arméforskningslaboratoriets doktor Alex Hsieh, tillsammans med prof. Keith A. Nelson, Dr. David Veysset och Dr. Steven Kooi, från Army's Institute for Soldier Nanotechnology vid MIT, upptäckte att när mål gjorda av poly(uretanurea) elastomerer eller PUUs påverkas med mycket hög hastighet av mikropartiklar gjorda av kiseldioxid, PUU-målet visar hyperelastiskt beteende. Det är, blir de extremt styva när de deformeras vid töjningshastigheter i storleksordningen 108/s? vilket betyder ungefär att målets material deformeras till hälften av sin ursprungliga tjocklek på extremt kort tid lika med en sekund dividerat med hundra miljoner. PUUs studsar också tillbaka efter påverkan, sa Hsieh.

Testenheten använder en pulsad laser för att skjuta kulor i mikrometerstorlek mot mål gjorda av PUU. Forskare fann, för första gången, "beteenden som i hög grad kontrasterar mot stötresponsen som observerats i en tvärbunden polydimetylsiloxanelastomer där mikropartiklar penetrerade målet och målmaterialet inte studsade tillbaka eller återhämtade sig helt."

Forskare säger att deras upptäckt av bulklalastomerer kan hjälpa till att designa matrismaterial för kompositer för den framtida generationen av amerikanska arméns stridshjälmar. Arméns förbättrade stridshjälm använder högpresterande polyeten med ultrahög molekylvikt eller UHMWPE-fibrer baserade kompositer. Dessa fibrer har hög brotthållfasthet, per enhet tvärsnittsarea, cirka femton gånger starkare än stål men är flexibla som tyger.

Traditionella rustningsmaterialdesigner inkluderar keramik, metaller och lättfiberförstärkta kompositer för både soldat- och fordonsskydd som vanligtvis är baserade på styvhet? motståndet hos ett material mot deformation ? och seghet? förmågan att absorbera energi och plastiskt deformeras före fraktur.

Men ur ett materialvetenskapligt perspektiv, dessa vanliga bulkmått är inte ensamma för att kvantifiera hur snabbt molekyler i ett polymerfast ämne kan förändra deras rörlighet med avseende på deformationshastigheten, inte heller benägenheten att ändra sitt fysiska tillstånd under dynamisk deformation? d.v.s. kan elastomerer ändras från gummiliknande till glasliknande när de deformeras med ökande höga hastigheter?

Hsieh sa att laget fokuserade på polymerer, som är uppbyggda av ett mycket stort antal små molekylära enheter som är uppträdda för att bilda mycket långa kedjor, som kan vara välorganiserade eller slumpmässigt packade. Specifikt, polymera material som är starka som slagtåliga skyddsglasögon eller flexibla som gummin. Elastomerer är en klass av konstgjorda gummin, som kan syntetiseras från ett brett spektrum av polymerkemi. "De har i allmänhet låg Youngs modul, vilket betyder låg motståndskraft mot elastisk deformation under belastning vid omgivande förhållanden, och högre felbelastning? förmågan att upprätthålla betydligt större belastning innan misslyckande? än de flesta plastmaterial, " han förklarade.

För att ytterligare validera den molekylära inverkan, teamet har genomfört omfattande studier på PUUs tillsammans med ett glasartat polykarbonat. Även om polykarbonat är känt för sin höga brottseghet och ballistiska hållfasthet, dessa PUU:er, oavsett deras respektive sammansättning, uppvisade större dynamisk förstyvning under stöten vid töjningshastigheter i storleksordningen 108/s. Vidare, motståndet mot penetrering av mikropartikeln kan optimeras, d.v.s. en ~ 50% minskning av det genomsnittliga maximala penetreringsdjupet uppnåddes genom att helt enkelt variera den molekylära sammansättningen av PUU.

"Det här är väldigt spännande." sade Dr Hsieh "Att se är att tro. Ny förståelse från dessa forskningsupptäckter - kärnan i hyperelastiskt fenomen i bulkelastomerer, särskilt i ögonblicket av mål/impulsinteraktion? påpekar starkt att det är en trolig väg för att manipulera misslyckande fysik och mot en nytt designparadigm för robusta material."

PUU är kända för att ha komplex mikrostruktur tillsammans med ett brett spektrum av avkopplingstider - de egenskaper som används för att återspegla effektiviteten hur molekyler i polymerkedjor reagerar på en yttre impuls. Specifikt, för PUU -molekyler med längre avkopplingstider i storleksordningen mikrosekunder vid omgivande förhållanden, t.ex., långsammare dynamik, möjliggör dynamisk förstyvning, medan de med nanosekunders avslappningstider vid omgivningsförhållanden kunde ge ytterligare energiabsorption mot dynamisk förstärkning. Dessa viskoelastiska egenskaper visar att elastomerer såväl som andra polymermaterial kan deformeras på olika sätt beroende kraftigt på hur snabbt de deformeras.

Teamet antog att en kooperativ molekylär avslappningsmekanism ? som liknar ett resonansfenomen av "ringbrynjeliknande" molekylära rörelser som var och en oscillerar vid specifika frekvenser för att skingra absorberad energi. Dessa dynamiska förstärknings- och förstyvningsegenskaper skulle förmodligen kunna underlättas av intermolekylär vätebindning som finns i det fysiskt tvärbundna nätverket i PUU. I kontrast, mikrosekundersrelaxationen vid omgivningsförhållanden finns inte i polykarbonat och inte heller finns vätebindning och motsvarande möjliggörande molekylära mekanism alls tillgänglig i polykarbonat, trots dess seghet och slaghållfasthet. Således, PUU eller högpresterande elastomerer med flera avslappningstider är mycket önskvärda och nyckeln till att möjliggöra både dynamisk förstärkning och dynamisk förstyvning över den tidsmässiga skalan från mikrosekunder till nanosekunder.

Dessa unika observationer utvecklades i en nyligen publicerad artikel i Polymer , 123 (2017) 30-38.

Under tiden, material som polyuretan, liknande PUU, eftersom matriselastomerer presterade bättre mot baksidans deformation som finns i lätta UHMWPE-kompositer. Detta är i huvudsak knäckning av material inuti stridshjälmar som överför stora krafter till skallen och orsakar trubbigt stöttrauma. PUUs, polyuretaner och liknande elastomerer, Hsieh sa, som uppvisar dynamisk förstärkning i höghastighetsdeformationer och avsevärt minskar deformationen av hjälmen under stöten, för integration med toppmoderna fibrer, kan vara till stor nytta för framtida stridshjälmar.

Förutom stridshjälmar, andra potentiella tillämpningar av robusta högpresterande elastomerer för soldatskydd inkluderar men är inte begränsade till transparenta ansiktsskydd, underkäken ansiktsskydd, ballistiska västar, extremitetsskydd, och sprängtåliga stridsstövlar.

Det är också tänkt att denna forskningsupptäckt om hyperelastiska fenomen av PUU, särskilt i ögonblicket med mycket hög hastighet, korsar också in i förutsebara områden som skydd av professionella fotbollsspelare och unga idrottare mot hjärnskakning eller andra hjärnrelaterade skador orsakade av kollisioner. Ur materialdesignperspektiv, högpresterande robusta elastomerer kan användas som de yttersta lagren av hjälmen eller för att helt enkelt ersätta polykarbonatskalet, sa Hsieh.