นักวิจัยทำงานกันมานานแล้วเพื่อค้นหาวัสดุใหม่ที่ต้านทานการเจาะด้วยความเร็วสูงได้ดีกว่า แต่เป็นการยากที่จะเชื่อมโยงรายละเอียดระดับจุลภาคของวัสดุใหม่ที่มีแนวโน้มเข้ากับพฤติกรรมที่เกิดขึ้นจริงในโลกแห่งความเป็นจริง
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยจาก National Institute of Standards and Technology (NIST) ได้คิดค้นวิธีการใหม่ที่ใช้โพรเจกไทล์ที่ปล่อยออกมาด้วยเลเซอร์และข้อมูลเพื่อช่วยทำนายคุณสมบัติและพฤติกรรมในระดับจุลภาคของวัสดุเป้าหมาย ดังที่แสดงใน ACS Applied Materials & บทความอินเตอร์เฟส. ทำได้โดยใช้เลเซอร์ความเข้มสูงยิงไมโครโพรเจกไทล์ด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วเสียงที่วัสดุเป้าหมาย ซึ่งในกรณีนี้คือฟิล์มโพลิเมอร์ซึ่งเป็นตัวแทนของวัสดุที่ทนทานต่อการเจาะที่จะทดสอบ
การแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างอนุภาคและตัวอย่างวัสดุที่ทดสอบได้รับการวิเคราะห์ในระดับจุลภาค จากนั้นจึงใช้วิธีการปรับขนาดเพื่อทำนายความต้านทานของวัสดุต่อการเจาะโดยกระสุนขนาดใหญ่ที่มีพลังงานสูง เช่น กระสุน เช่นเดียวกับที่ การรวมการทดสอบด้วยวิธีการวิเคราะห์และการปรับขนาดช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถค้นพบวัสดุใหม่ที่ทนทานต่อการเจาะทะลุ โปรแกรมใหม่นี้ช่วยลดความจำเป็นในการทดลองในห้องปฏิบัติการที่ใช้เวลานานโดยใช้โพรเจกไทล์ขนาดใหญ่ขึ้นและตัวอย่างที่ใหญ่ขึ้น
Katherine Evans นักเคมีของ NIST อธิบายว่า "เมื่อคุณกำลังตรวจสอบวัสดุใหม่สำหรับการประยุกต์ใช้ในการป้องกัน ด้วยวิธีการใหม่ของเรา เราสามารถเรียนรู้ได้เร็วกว่านี้ว่าคุณสมบัติในการป้องกันของมันมีค่าควรแก่การตรวจสอบหรือไม่"
การสังเคราะห์โพลิเมอร์ใหม่ในปริมาณเล็กน้อยอาจเป็นเรื่องปกติธรรมดาในการทดลองในห้องปฏิบัติการ ความท้าทายคือการเพิ่มปริมาณเพื่อทดสอบความต้านทานการเจาะ วัสดุที่ทำจากโพลิเมอร์สังเคราะห์ชนิดใหม่ การเพิ่มปริมาณให้เพียงพอมักจะเป็นไปไม่ได้หรือทำไม่ได้
ปัญหาของการทดสอบขีปนาวุธคือมีสองขั้นตอนที่คุณต้องทำเมื่อสร้างวัสดุใหม่" คริสโตเฟอร์ โซลส์ วิศวกรวิจัยวัสดุของ NIST กล่าว ก่อนอื่นคุณต้องสังเคราะห์โพลิเมอร์ใหม่ที่คุณคิดว่าดีกว่า แล้วจึงปรับขนาด จนถึงระดับกิโลกรัมความสำเร็จที่ยอดเยี่ยมของงานนี้คือเราพบว่าการทดสอบไมโครบอลลิสติกสามารถเพิ่มขนาดและเชื่อมโยงกับการทดสอบขนาดใหญ่ในโลกแห่งความเป็นจริงได้อย่างน่าประหลาดใจ"
ในระหว่างการศึกษา นักวิจัยได้ประเมินวัสดุหลายชนิดโดยใช้วิธีการของพวกเขา รวมถึงตัวอย่างสารประกอบของ ballistic glass ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย คอมโพสิตนาโนใหม่ และวัสดุกราฟีน
วิธีการทดสอบนี้เรียกว่า LIPIT ซึ่งย่อมาจาก "การทดสอบแรงกระแทกของโพรเจกไทล์ที่เหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์ โดยใช้เลเซอร์ในการยิงไมโครโพรเจกไทล์ที่ทำจากซิลิกาหรือแก้วเข้าไปในฟิล์มบางๆ ของวัสดุที่สนใจ เลเซอร์จะสร้างแรงดันสูงด้วยการระเหยด้วยเลเซอร์ คลื่นที่ผลักวัสดุโพรเจกไทล์เข้าไปในตัวอย่าง
นักวิจัยใช้วิธีนี้ในการวิเคราะห์คอมโพสิตนาโนชนิดหนึ่งที่เรียกว่าคอมโพสิตพอลิเมอร์กราฟต์นาโนพอลิเมทาคริเลต (npPMA) ประกอบด้วยอนุภาคนาโนซิลิกาที่นำไปใช้ได้หลากหลายรวมถึงเสื้อเกราะกันกระสุน เลเซอร์ขับเคลื่อนไมโครบอมบ์ไปยังวัสดุเป้าหมายด้วยความเร็ว 100 ถึง 400 เมตรต่อวินาที และใช้กล้องวิดีโอเพื่อวัดผลกระทบ
นักวิจัยได้รวมการวัดที่ได้จาก npPMA กับการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์เพิ่มเติม พร้อมกับข้อมูลที่มีอยู่เกี่ยวกับวัสดุจากเอกสารการวิจัย เพื่อเชื่อมโยงผลลัพธ์ของการทดสอบไมโครบอมบ์กับผลกระทบในผลกระทบที่มากขึ้น เนื่องจาก npPMA เป็นวัสดุใหม่ที่ไม่ได้ผลิตขึ้นง่ายๆ พวกเขาจึงขยายการวิเคราะห์เพื่อรวมสารประกอบที่ใช้กันทั่วไปมากขึ้น (โพลีคาร์บอเนต) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นกระจกกันกระสุน
ด้วยการใช้ผลงานวรรณกรรม การวิเคราะห์มิติ และวิธีการของ LIPIT ร่วมกัน นักวิจัยสามารถแสดงให้เห็นว่าความต้านทานการเจาะทะลุของวัสดุมีความสัมพันธ์กับความเครียดสูงสุดที่วัสดุสามารถทนต่อได้ก่อนการแตกหัก (เช่น ความเครียดจากความล้มเหลว) สิ่งนี้ท้าทายความเข้าใจในปัจจุบันเกี่ยวกับประสิทธิภาพของขีปนาวุธ ซึ่งมักคิดว่าเกี่ยวข้องกับการที่คลื่นความดันผ่านวัสดุ
วิธีการใหม่ของพวกเขาช่วยให้สามารถกำหนดขีดจำกัดความแข็งแรงของวัสดุ หรือความเค้นและแรงดันที่สามารถทนต่อได้ โดยไม่ต้องวัดคุณสมบัติเหล่านี้โดยตรงล่วงหน้า ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเลือกวัสดุในการทดลอง สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสามารถสำรวจวัสดุต่างๆ เช่น กราฟีน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าชั้นฟิล์มบางหลายๆ ชั้นของวัสดุสามารถนำไปใช้กับงานที่ทนต่อแรงกระแทกได้ ซึ่งคล้ายกับโพลิเมอร์ประสิทธิภาพสูง
สำหรับขั้นตอนต่อไป นักวิจัยวางแผนที่จะประเมินคุณสมบัติขีปนาวุธของวัสดุใหม่อื่นๆ และตรวจสอบประเภทและการกำหนดค่าต่างๆ พวกมันจะเปลี่ยนขนาดของไมโครบุลเลตและขยายช่วงความเร็วของมันด้วย
