Materiał odporny niczym super-Kevlar. "Osłoni żołnierzy i statki kosmiczne"

Opisywany materiał ma zapewniać zdolność zatrzymywania przedmiotów miotanych i poruszających się z bardzo dużymi prędkościami proporcjonalnie skuteczniej niż popularny Kevlar oraz stalowe płyty pancerne. „Nasze maty z nanowłókien dalece przewyższają inne ochronne materiały przy dużo niższej masie” - stwierdził jeden z naukowców zaangażowanych w projekt, prof. Ramathasan Thevamaran.

Zespół badacza oparł swój pomysł na strukturze wielościennych, węglowych nanorurek (o pojedynczej warstwie grubości jednego atomu) z nanowłóknami Kevlaru. Wskazana kombinacja okazała się zapewniać wyjątkowy potencjał rozprowadzania energii uderzenia. „Materiały oparte na nanowłóknach są bardzo korzystne, jeśli chodzi o zastosowania ochronne - to dlatego, że włókna tworzone w nanoskali mają wyjątkową wytrzymałość, twardość i sztywność w porównaniu do makrowłókien" - podkreślił prof. Thevamaran.

Jak wskazano w opisie badań, naukowcy poprawili właściwości dynamiczne mat CNT (złożonych z nanorurek węglowych) dzięki specyficznemu połączeniu z nanowłóknami aramidowymi (ANF - czyli wspomnianego Kevlaru). Pożądane parametry łączenia nanorurek uzyskano dzięki powstaniu stabilnych, a zarazem sprawnie przekształcających się wielopłaszczyznowych wiązań wodorowych, co znacząco podniosło zdolność transmisji oddziaływań w strukturze. Jak zmierzono, wzmocnione w ten sposób interakcje w materiale CNT zwiększyły absorpcję energii kinetycznej pocisku (uderzającego z prędkością naddźwiękową) do 3,6 MJ/kg - znacząco powyżej parametrów obecnie masowo stosowanych materiałów ochronnych opartych na włóknach kevlarowych.

Wiązanie wodorowe jest dynamiczne, co znaczy, że może nieustannie się zrywać i od nowa tworzyć. Ten proces pozwala na rozpraszanie dużych ilości energii. Dodatkowo wiązania wodorowe zwiększają sztywność, co wzmacnia matę. Kiedy zmieniliśmy międzyfazowe oddziaływania w naszych matach przez dodanie nanowłókien Kevlaru, uzyskaliśmy niemal 100 proc. poprawę rozpraszania energii przy niektórych naddźwiękowych uderzeniach.
prof. Ramathasan Thevamaran, University of Wisconsin-Madison

Swój wynalazek badacze przetestowali z pomocą rozpędzanych laserowo mikropocisków. „Nasz system jest tak zaprojektowany, że pozwala na wybranie pojedynczej kuli pod mikroskopem i wystrzelenie jej w stronę celu ze ściśle kontrolowaną prędkością z zakresu od 100 m do ponad 1 km na sekundę" - wskazał prof. Thevamaran. "Pozwoliło nam to na przeprowadzenie eksperymentów w skali czasu umożliwiającej obserwacje reakcji materiału w trakcie oddziaływań z wiązaniami wodorowymi” - wyjaśnił dalej.

Nowy materiał ochronny, podobnie jak Kevlar, ma też inną zaletę. Zachowują swoje właściwości zarówno w bardzo niskich, jak i w wysokich temperaturach, co pozwala na ich wykorzystanie nawet w ekstremalnych środowiskach.

To potencjalnie ma gwarantować jego użyteczność w warunkach kosmicznych. Sądzi się, że rozwiązanie sprawdzi się jako sposób na ochronę powierzchni satelitów i statków kosmicznych przed zagrożeniem kinetycznym ze strony różnego rodzaju odłamków i niewielkich obiektów krążących na coraz bardziej zatłoczonej orbicie okołoziemskiej.

Opis naukowy projektu dostępny jest na poświęconej mu stronie internetowej .

Źródło: University of Wisconsin/PAP