Kredit:CC0 Public Domain
University of Wisconsin–Madisons ingenjörer har skapat ett nanofibermaterial som överträffar sina flitigt använda motsvarigheter – inklusive stålplåtar och Kevlar-tyg – när det gäller att skydda mot höghastighetsprojektilstötar.
I grund och botten är det bättre än skottsäkert.
"Våra nanofibermattor uppvisar skyddande egenskaper som vida överträffar andra materialsystem med mycket lägre vikt", säger Ramathasan Thevamaran, en UW–Madison biträdande professor i teknisk fysik som ledde forskningen.
Han och hans medarbetare redogjorde för framstegen i en artikel som nyligen publicerades i tidskriften ACS Nano .
För att skapa materialet blandade Thevamaran och postdoktorn Jizhe Cai flerväggiga kolnanorör - kolcylindrar som bara är en atom tjocka i varje lager - med Kevlar nanofibrer. De resulterande nanofibermattorna är överlägsna när det gäller att avleda energi från effekterna av små projektiler som rör sig snabbare än ljudets hastighet.
Framstegen lägger grunden för användning av kolnanorör i lätta, högpresterande pansarmaterial, till exempel i skottsäkra västar för att bättre skydda bäraren eller i sköldar runt rymdfarkoster för att mildra skador från flygande höghastighetsmikroskräp.
"Nanofibrösa material är mycket attraktiva för skyddande tillämpningar eftersom fibrer i nanoskala har enastående styrka, seghet och styvhet jämfört med fibrer i makroskala," säger Thevamaran. "Kolnanorörsmattor har visat den bästa energiabsorptionen hittills, och vi ville se om vi kunde förbättra deras prestanda ytterligare."
De hittade rätt kemi. Teamet syntetiserade Kevlar nanofibrer och införlivade en liten mängd av dem i sina kolnanorörsmattor, vilket skapade vätebindningar mellan fibrerna. Dessa vätebindningar modifierade växelverkan mellan nanofibrerna och orsakade, tillsammans med precis rätt blandning av kevlarnanofibrer och kolnanorör, ett dramatiskt steg i det övergripande materialets prestanda.
"Vätebindningen är en dynamisk bindning, vilket innebär att den kontinuerligt kan bryta och ombildas igen, vilket gör att den kan avleda en stor mängd energi genom denna dynamiska process," säger Thevamaran. "Dessutom ger vätebindningar mer styvhet till den interaktionen, vilket stärker och gör nanofibermattan styv. När vi modifierade gränssnittsinteraktionerna i våra mattor genom att lägga till Kevlar nanofibrer, kunde vi uppnå nästan 100 % förbättring av energiavledningsprestanda vid vissa överljuds anslagshastigheter."
Kom med kulorna. Forskarna testade sitt nya material med hjälp av ett laserinducerat mikroprojektilslagtestsystem i Thevamarans labb. Systemet är ett av endast en handfull liknande det i USA. Systemet använder laser för att skjuta in mikrokulor i materialproverna.
"Vårt system är designat så att vi faktiskt kan plocka en enda kula under ett mikroskop och skjuta den mot målet på ett mycket kontrollerat sätt, med en mycket kontrollerad hastighet som kan varieras från 100 meter per sekund hela vägen till över 1 kilometer per sekund, säger Thevamaran. "This allowed us to conduct experiments at a time scale where we could observe the material's response—as the hydrogen bond interactions happen."
In addition to its impact resistance, another advantage of the new nanofiber material is that, like Kevlar, it is stable at both very high and very low temperatures, making it useful for applications in a wide range of extreme environments. + Utforska vidare
