Инженеры из Калифорнийского технологического института, Массачусетского технологического института и ETH Zürich разработали материал с нано-архитектурой, сделанный из крошечных углеродных блоков, который, в ходе тестирования, оказался более эффективен в остановке снаряда, чем кевлар, материал, обычно используемый в средствах индивидуальной защиты.
Впервые разработанный специалистом по материалам Калифорнийского технологического института Джулией Р. Грир, наноархитектурный материал имеет структуру, построенную в нанометровом масштабе, и демонстрируют необычные, часто удивительные свойства — например, исключительно легкая керамика, которая возвращается к своей первоначальной форме, как губка, после сжатия.
Знания, полученные в результате этой работы, могут предоставить принципы проектирования сверхлегких ударопрочных материалов для использования в эффективных защитных покрытиях и взрывозащищенных щитах, столь важных в оборонных и космических отраслях.
Материал, который тоньше человеческого волоса, состоит из соединенных между собой тетракаидекаэдров, сделанных из углеродных стержней, образовавшихся при сильном нагреве (известный как пиролитический углерод). Тетракаидекаэдры — это структуры с 14 гранями: шесть с четырьмя сторонами и восемь с восемью сторонами. Их также называют "ячейками Кельвина", потому что в 1887 году лорд Кельвин (физик Уильям Томсон, первый барон Кельвин, в честь которого мы указываем абсолютные температуры в единицах "Кельвин") предположил, что они будут лучшей формой для заполнения пустого трехмерного пространства объектами одинакового размера с использованием минимальной площади поверхности.
В то время как прочность материалов с наноархитектурой изучалась с использованием медленной деформации (например, сжатия и растяжения), новое исследование было призвано выявить, как такой материал справится с высокоскоростным ударом.
Ученые изготовили материал из светочувствительного полимера с помощью двухфотонной литографии — метода, в котором для отверждения и моделирования микроскопических структур используется быстрый мощный лазер. Затем его команда пиролизировала конструкции: то есть они сожгли их в печи при очень высокой температуре, чтобы преобразовать полимер в пиролитический углерод. Ученые создали два варианта материала: более плотный и более рыхлый. Затем обе версии подверглись атаке сферическими частицами оксида кремния диаметром 14 микрон. Частицы перемещались со скоростью от 40 до 1100 метров в секунду. Для справки: скорость звука составляет 340 метров в секунду.
Исследователи обнаружили, что более плотная версия материала была более эластичной, а микрочастицы имели тенденцию встраиваться в материал, а не разрывать его насквозь, как это было бы в случае полностью плотных полимеров или углеродных листов той же толщины. При более внимательном рассмотрении они обнаружили, что отдельные стойки, непосредственно окружающие частицу, могут смяться, но общая структура оставалась нетронутой до тех пор, пока снаряд не остановился. Таким образом, новый материал превзошел сталь более чем на 100 процентов и композиты из кевлара более чем на 70 процентов.
Чтобы материал можно было использовать в реальных приложениях, исследователям, в дальнейшем, необходимо будет найти способы масштабирования его производства и изучить, как другие материалы с наноархитектурой, в том числе сделанные из материалов, отличных от углерода, выдерживают высокоскоростные удары. Между тем, исследование продемонстрировало жизнеспособность материалов с наноархитектурой в плане ударопрочности, открыв новое направление исследований.
