Att ge skydd mot stötar från kulor och andra höghastighetsprojektiler är mer än bara en fråga om brutal styrka. Medan traditionella sköldar har gjorts av skrymmande material som stål, nyare kroppspansar av lättviktsmaterial som Kevlar har visat att tjocklek och vikt inte är nödvändiga för att absorbera stötarnas energi. Nu, en ny studie av forskare vid MIT och Rice University har visat att även lättare material kan göra jobbet lika effektivt.

Nyckeln är att använda kompositer gjorda av två eller flera material vars styvhet och flexibilitet är strukturerade på mycket specifika sätt - som i alternerande lager bara några nanometer tjocka. Forskargruppen producerade miniatyr höghastighetsprojektiler och mätte effekterna de hade på det stötdämpande materialet.

Resultaten av forskningen redovisas i tidskriften Naturkommunikation , i ett papper medförfattare av före detta postdoc Jae-Hwang Lee, nu en forskare vid Rice; postdoc Markus Retsch; doktorand Jonathan Singer; Edwin Thomas, en tidigare MIT -professor som nu är på Rice; doktorand David Veysset; tidigare doktorand Gagan Saini; tidigare postdoc Thomas Pezeril, nu på fakulteten vid Université du Maine, i Le Mans, Frankrike; och kemiprofessor Keith Nelson. Det experimentella arbetet genomfördes vid MIT:s Institute for Soldier Nanotechnologies.

Teamet utvecklade en självmonterande polymer med en lagerkakastruktur:gummiartade lager, som ger motståndskraft, omväxlande med glasiga lager, som ger styrka. De utvecklade sedan en metod för att skjuta glaspärlor mot materialet i hög hastighet med hjälp av en laserpuls för att snabbt avdunsta ett materiallager strax under dess yta. Även om pärlorna var små - bara miljondelar av en meter i diameter - var de fortfarande hundratals gånger större än skikten av polymeren de träffade:tillräckligt stora för att simulera stötar av större föremål, som kulor, men tillräckligt liten så att effekterna av nedslagen kunde studeras i detalj med hjälp av ett elektronmikroskop.

Att se lagren

Strukturerade polymerkompositer har tidigare testats för möjliga stötskyddstillämpningar. Men ingen hade hittat ett sätt att studera exakt hur de fungerar - så det fanns inget sätt att systematiskt söka efter förbättrade kombinationer av material.

De nya teknikerna som utvecklats av MIT- och risforskarna skulle kunna tillhandahålla en sådan metod. Deras arbete skulle kunna påskynda framstegen med material för tillämpningar i kaross och fordonsrustning; skärmning för att skydda satelliter från mikrometeoritslag; och beläggningar för turbinblad för jetmotorer för att skydda mot höghastighetspåverkan av sand- eller ispartiklar.

De metoder som teamet utvecklat för att producera höghastighetspåverkan i laboratorieskala, och för att mäta effekterna på ett exakt sätt, "kan vara ett extremt användbart kvantitativt verktyg för utveckling av skyddande nanomaterial, säger Lee, tidningens huvudförfattare, som gjorde mycket av denna forskning när han var på MIT:s institution för materialvetenskap och teknik. "Vårt arbete ger värdefulla insikter för att förstå nanoskala strukturens bidrag" till hur sådana material absorberar en påverkan, han säger.

Eftersom det skiktade materialet har en sådan förutsägbar, ordnad struktur, effekterna av effekterna kan enkelt kvantifieras genom att observera snedvridningar i tvärsnitt. "Om du vill testa hur beställda system kommer att bete sig, "Sångaren säger, "det här är den perfekta strukturen för att testa."

Vilken riktning fungerar bäst

Teamet fann att när projektilerna träffade skikten direkt, de absorberade stöten 30 procent mer effektivt än vid en kantkrock. Den informationen kan ha omedelbar relevans för utformningen av förbättrade skyddsmaterial.

Nelson har ägnat år åt att utveckla tekniker som använder laserpulser för att observera och kvantifiera nanoskala stötvågor - tekniker som anpassades för denna forskning med hjälp av Lee, Veysset och andra teammedlemmar. Helst i framtida forskning, teamet hoppas kunna observera projektilers passage i realtid för att få en bättre förståelse av händelseförloppet när det påverkade materialet genomgår förvrängning och skada, Säger Nelson.

Dessutom, nu när den experimentella metoden har utvecklats, forskarna skulle vilja undersöka olika material och strukturer för att se hur dessa reagerar på påverkan, Nelson säger:varierande sammansättning och tjocklek på lager, eller använda olika strukturer.

Donald Shockey, chef för Center for Fracture Physics vid SRI International, ett ideellt forskningsinstitut i Menlo Park, Kalifornien, säger, "Det är ett nytt och användbart tillvägagångssätt som kommer att ge nödvändig förståelse för mekanismerna för hur en projektil penetrerar skyddande västar och hjälmar." Han tillägger att dessa resultat "tillhandahåller de data som krävs för att utveckla och validera beräkningsmodeller" för att förutsäga beteendet hos stötskyddsmaterial och för att utveckla nya, förbättrade material.

"Nyckeln till att utveckla material med bättre slagtålighet är att förstå deformations- och brottbeteende vid spetsen av en framskjutande projektil, "Shockey säger. "Vi måste kunna se det."

Arbetet fick stöd av U.S. Army Research Office.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.