Enligt gammal historia, Djingis Khan instruerade sina ryttare att bära sidenvästar under deras rustning för att bättre skydda sig mot ett anfall av pilar under striden. Sedan Khans tid, kroppspansar har utvecklats avsevärt-siden har gett vika för extremt hårda material som fungerar som ogenomträngliga väggar mot de flesta ammunition. Dock, även denna rustning kan misslyckas, särskilt om den träffas av höghastighetsammunition eller andra föremål i snabb rörelse.

Forskare vid Texas A&M University har formulerat ett nytt recept som kan förhindra svagheter i dagens rustning. Genom att tillsätta en liten mängd av elementet kisel till borkarbid, ett material som vanligtvis används för att göra kroppspansar, de upptäckte att kula-resistenta redskap kunde göras väsentligt mer motståndskraftiga mot höghastighetspåverkan.

"Under de senaste 12 åren har forskare har letat efter sätt att minska skadorna orsakade av höghastighets kulor på rustningar gjorda med borkarbid, "sa Dr Kelvin Xie, biträdande professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik. "Vårt arbete tillgodoser äntligen detta ouppfyllda behov och är ett steg framåt i utformningen av överlägsen kroppsrustning som skyddar mot ännu kraftfullare skjutvapen under strid."

Denna studie publicerades i oktobernumret av tidskriften Vetenskapliga framsteg .

Borkarbid, kallad "svart diamant, "är ett konstgjord material, som ligger tvåa under ett annat syntetiskt material som kallas kubisk bornitrid för hårdhet. Till skillnad från kubisk bornitrid, dock, borkarbid är lättare att producera i stor skala. Också, borkarbid är hårdare och lättare än andra rustningsmaterial som kiselkarbid, vilket gör det till ett idealiskt val för skyddsutrustning, särskilt ballistiska västar.

Trots borkarbidens många önskvärda egenskaper, dess främsta brist är att den kan skada mycket snabbt vid höghastighetspåverkan.

"Borkarbid är riktigt bra på att stoppa kulor som färdas under 900 meter per sekund, och så kan det blockera kulor från de flesta handeldvapen ganska effektivt, "sa Xie." Men över denna kritiska hastighet, borkarbid tappar plötsligt sin ballistiska prestanda och är inte lika effektiv. "

Forskare vet att höghastighetsstötar orsakar att borkarbid får fasomvandlingar-ett fenomen där ett material ändrar sin inre struktur så att det är i två eller flera fysiska tillstånd, som flytande och fast, på samma gång. Kulans inverkan omvandlar alltså borkarbid från ett kristallint tillstånd där atomer systematiskt ordnas till ett glasliknande tillstånd där atomer slumpmässigt arrangeras. Detta glasliknande tillstånd försvagar materialets integritet vid kontaktplatsen mellan kulan och borkarbiden.

"När borkarbid genomgår fasomvandling, den glasartade fasen skapar en motorväg för sprickor att sprida sig, "sa Xie." Så, varje lokal skada som orsakas av en kula påverkas lätt genom materialet och orsakar gradvis mer skada. "

Tidigare arbete med datorsimuleringar förutsade att en liten mängd av ett annat element skulle läggas till, som kisel, hade potential att göra borkarbid mindre spröd. Xie och hans grupp undersökte om tillsats av en liten mängd kisel också reducerade fasomvandlingen.

För att simulera den första effekten av en höghastighetskula, forskarna gjorde välkontrollerade bucklor på borkarbidprover med diamantspets, vars bredd är mindre än ett människohår. Sedan, under ett kraftfullt elektronmikroskop, de tittade på den mikroskopiska skadan som bildades av slagen.

Xie och hans medarbetare fann att även med små mängder kisel, omfattningen av fasomvandling sjönk med 30%, reducerar märkbart skadan från fördjupningen.

Även om kisel fungerar bra för att förbättra borkarbidens egenskaper, Xie förklarade att fler experiment måste göras för att veta om andra element, som litium och aluminium, kan också förbättra borkarbidens prestanda.

Inom en snar framtid, Xie förutspår att dessa starkare kusiner till ren borkarbid kommer att hitta andra icke -militära tillämpningar. En sådan användning är i kärnkraftssköldar. Han sa att genom att använda en touch av kisel i borkarbid ändras avståndet mellan atomer och de tomma utrymmen som skapas kan vara bra platser för att absorbera skadlig strålning från kärnreaktorer.

"Precis som vid matlagning där ett litet stänk kryddor kraftigt kan öka smaken, by using a small amount of silicon we can dramatically improve the properties of boron carbide and consequently find novel applications for these ultrahard materials, " Xie said.