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一直以來(lái)，研究人員都在致力于尋找更好的防高速穿刺的新材料，但很難將有前景的新材料的微觀細(xì)節(jié)與其在現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際行為聯(lián)系起來(lái)。

據(jù)《激光制造網(wǎng)》了解，《ACS Applied Materials & Interfaces》一篇文章表明，為了解決這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員設(shè)計(jì)了一種新方法，使用激光發(fā)射的射彈和數(shù)據(jù)來(lái)幫助預(yù)測(cè)目標(biāo)材料的微觀特性和行為。具體做法是使用高強(qiáng)度激光以接近音速的速度向目標(biāo)材料噴射微型彈丸，在這種情況下，目標(biāo)材料是代表待測(cè)試的耐穿刺材料的聚合物薄膜。

NIST 測(cè)試基于激光的方法向目標(biāo)材料發(fā)射微彈。

在微觀層面上分析粒子和測(cè)試的材料樣品之間的能量交換，然后使用縮放方法來(lái)預(yù)測(cè)材料對(duì)更大高能射彈（例如子彈）的穿刺阻力。就這樣，將測(cè)試與分析和縮放方法相結(jié)合，科學(xué)家們可以發(fā)現(xiàn)新的防刺穿材料。新方案減少了使用更大的彈丸和更大的樣品進(jìn)行一系列冗長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的需要。

NIST 化學(xué)家Katherine Evans 解釋說(shuō)：“當(dāng)您研究一種新材料的防護(hù)應(yīng)用時(shí)，通過(guò)我們的新方法，我們可以更早地了解它的防護(hù)性能是否值得研究?！?/p>

在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，合成少量的新聚合物可能是相當(dāng)常規(guī)的，挑戰(zhàn)在于擴(kuò)大數(shù)量規(guī)模以測(cè)試其抗穿刺性——由新型合成聚合物制成的材料，擴(kuò)大到足夠的數(shù)量通常是不可能或不切實(shí)際的。

NIST 材料研究工程師 Christopher Soles 表示：“彈道測(cè)試的問(wèn)題在于，在制造新材料時(shí)必須采取兩個(gè)步驟。你需要先合成一種你認(rèn)為更好的新聚合物，然后將其放大到公斤級(jí)別。這項(xiàng)工作的最大成就是，我們令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，微彈道測(cè)試可以擴(kuò)展并與現(xiàn)實(shí)世界的大規(guī)模測(cè)試聯(lián)系起來(lái)?！?/p>

在研究過(guò)程中，研究人員使用他們的方法評(píng)估了幾種材料，包括廣泛使用的防彈玻璃化合物、新型納米復(fù)合材料和石墨烯材料樣品。

LIPIT 使用激光發(fā)射的微彈瞄準(zhǔn)聚合物薄膜薄層。

該測(cè)試方法稱為 LIPIT，意思是“激光誘導(dǎo)彈丸沖擊測(cè)試”。它使用激光將由二氧化硅或玻璃制成的微彈發(fā)射到感興趣材料的薄膜中。通過(guò)激光燒蝕，激光產(chǎn)生高壓波，將微彈材料推向樣品。

研究人員首先使用該方法分析了一種稱為聚合物接枝納米顆粒聚甲基丙烯酸酯（npPMA）復(fù)合材料的納米復(fù)合材料。它由二氧化硅納米粒子組成，可用于包括防彈衣在內(nèi)的廣泛應(yīng)用。激光以每秒 100 至 400 米的速度推動(dòng)微彈射向目標(biāo)材料，并使用攝像機(jī)測(cè)量其影響。

研究人員將在npPMA上獲得的測(cè)量結(jié)果與額外的數(shù)學(xué)分析結(jié)合起來(lái)，同時(shí)結(jié)合研究文獻(xiàn)中關(guān)于材料的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，將微彈測(cè)試的結(jié)果與更大規(guī)模撞擊中的影響聯(lián)系起來(lái)。由于npPMA是一種新型材料，不容易制造，因此他們擴(kuò)大了分析范圍，將一種更常用的化合物（聚碳酸酯）納入其中，該化合物被廣泛用作防彈玻璃。

結(jié)合使用文獻(xiàn)結(jié)果、尺寸分析和 LIPIT 的方法，研究人員能夠證明材料的耐穿刺性與材料在斷裂之前可以承受的最大應(yīng)力（即失效應(yīng)力）相關(guān)。這挑戰(zhàn)了目前對(duì)彈道性能的理解，通常認(rèn)為彈道性能與壓力波如何穿過(guò)材料有關(guān)。

他們的新方法可以確定材料的強(qiáng)度極限，或者它可以承受多少應(yīng)力和壓力，而無(wú)需事先直接測(cè)量這些特性，這有助于優(yōu)化在實(shí)驗(yàn)中選擇哪些材料。這使得他們能夠探索石墨烯等材料，這表明該材料的多個(gè)薄膜層可以用于抗沖擊應(yīng)用，類似于高性能聚合物。

對(duì)于下一步的計(jì)劃，研究人員計(jì)劃評(píng)估其他新型材料的防彈性能，并研究不同的類型和配置。他們還將改變微彈的尺寸并擴(kuò)大其速度范圍。