Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat ett nytt sätt att undersöka de högpresterande fibrerna som används i moderna kroppsrustningar. Beskrivs i Journal of Polymer Science , forskningen kan bidra till att öka förtroendet för kläderna som skyddar militära enheter, polisavdelningar och offentliga personer från skottlossning. Det kan också leda till utveckling av nya, lättare material för kroppsskydd i framtiden.

Högpresterande polymerfibrer har använts i ballistiska tillämpningar i mer än 40 år. Traditionellt, dessa fibrer vävs samman till ett tyg och läggs sedan i lager 15-20 gånger för att göra en väst med en tjocklek på allt från cirka 6 till 13 millimeter (en kvart till en halv tum). Även om det är effektivt för att stoppa eller bromsa kulor, användare har ibland hittat dessa västar, som bärs antingen under eller över kläder, att vara tung och skrymmande – som att bära 15 till 20 skjortor samtidigt en varm sommardag. Många skulle vilja ha ett bekvämare alternativ.

Testningen av mjuk kroppsrustning har varit ett stort problem eftersom utbyggnaden av en ny typ av fiber – som tros vara överlägsen det tidigare materialet – oväntat misslyckades 2003, som resulterade i en polismans död. Det och andra incidenter föranledde en återkallelse 2005 av några av västarna gjorda med det nya materialet.

Även om dessa västars prestanda var överlägsen när de var färska ur lådan och i perfekt skick, tester visade senare att de mekaniska egenskaperna hos fibrerna inuti västarna började försämras efter några månaders normal användning. De nya västarna togs så småningom bort från marknaden helt och hållet och tillverkaren stämdes av justitiedepartementet (DOJ).

DOJ anlitade NIST för att hjälpa till att utvärdera problemet och avgöra varför dessa västar misslyckades. Som landets mätlabb, NIST-forskare är särskilt kvalificerade att utveckla sätt att karakterisera både fibrerna och deras eventuella försämring.

"Fibrerna i dessa ballistiska tillämpningar kan inte misslyckas [på fältet], period, sa Gale Holmes, en materialforskningsingenjör vid NIST. "Men tidigare, vi hade inget sätt att veta om de förändrades med tiden eftersom människor bar och använde dem."

De idealiska mekaniska egenskaperna för dessa västar och andra redskap inkluderar en kombination av hög styvhet, stor draghållfasthet, och en betydande belastning mot misslyckande för att absorbera kulans stöt. Inledande arbete av Holmes avslöjade att den naturliga veckningen och vikningen som en väst normalt skulle stöta på under användning ledde till en betydande försämring av dessa kritiska mekaniska egenskaper, speciellt i fuktiga miljöer.

Även om försämringen av de mekaniska egenskaperna var självklar, vad som saknades var en analytisk teknik för att karakterisera de strukturella eller kemiska skillnaderna i fibrerna som skulle förklara deras prestandaförlust. Även om det inte finns något material som kan vara helt "skottsäkert" under alla omständigheter, forskare ville ha ett sätt att karakterisera material för deras varierande förmåga att mildra en kulas påverkan, speciellt efter fältanvändning.

Karakteriseringsmetoden som valdes av Holmes och Christopher Soles vid NIST använde sig av en intensiv positronstråleanläggning vid North Carolina State Universitys PULSTAR kärnreaktor.

Tekniken för livstidsspektroskopi (PALS) för positronförintelse ger en bild på molekylär nivå av materialens struktur. Det har använts för att testa material i andra sektorer, inklusive porösa membran och halvledarisolatorer. För detta arbete, positroner injicerades i ballistiska fibrer och gjorde det möjligt för forskare att avgöra om några tomrum skapades under vikning på en skala av mindre än 5 nanometer.

Använder PALS, Holmes och Soles upptäckte att tomrumsnivåer är mycket känsliga indikatorer på skador som fibrerna ådragit sig efter vikning; en större population av tomrum innebär en bättre chans för fiberfel. Teamet misstänkte tidigare att tomrumsskapande var en kritisk komponent i mekanisk degradering, men röntgenspridningsmätningarna med liten vinkel som hade använts tidigare tenderade att vara mindre känsliga för hålrum mindre än 5 nanometer och visade sig vara ofullständiga. Den kritiska skadan inträffade på mycket finare längdskalor.

"Det gjorde det möjligt för oss att karakterisera förändringar i fibrerna som du inte kan se med andra tekniker, "Sade Holmes. "Vi blev förvånade under vår forskning över hur känslig tekniken var."

"Innan, vi hade inte ett riktigt bra sätt att urskilja varför vissa material gick sönder under vikningstesterna och vissa inte, ", sa Soles. "Detta är det första verktyget för materialkarakterisering som ger insikter i varför vissa material kan vikas och ändå behålla sin styrka."

Resultaten kan fungera som en designsignal för dem som vill utveckla nya alternativ till den nuvarande kroppsrustningen. Det kan också hjälpa till att finjustera mängden fibrer som för närvarande föreskrivs för dessa produkter, vilket ger bekvämare västar.