Das neue ultraleichte Material ist härter als Stahl und Kevlar
Das Material ist dünner als eine menschliche Haarsträhne und kann das Eindringen von Partikeln mit hoher Geschwindigkeit verhindern.
Christopher McFadden - 25. Juni 2021
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Die Ergebnisse eines gemeinsamen Forschungsprojekts wurden gerade in der Zeitschrift Nature Materials von Ingenieuren des MIT, Caltech und der ETH Zürich veröffentlicht, die ein Material mit „Nanoarchitektur“ hervorgebracht haben, das sich als stärker als Kevlar und Stahl erweisen könnte . Dieses Material könnte, sobald es skaliert ist, ein Mittel für entwickelte leichte Schutzabdeckungen, Explosionsschutzschilde und andere schlagfeste Materialien und Panzerungen für verschiedene Industrien darstellen.
Durch die Verwendung von Streben aus Kohlenstoff im Nanometerbereich hat sich gezeigt, dass das neue Material eine beeindruckende Zähigkeit und mechanische Robustheit aufweist. Das Material wurde getestet, indem Mikropartikel mit Überschallgeschwindigkeit abgefeuert wurden, um zu sehen, wie es sich verformt – ziemlich gut, wie sich herausstellte.
Das Material ist weniger als ein menschliches Haar breit, aber dennoch in der Lage, das Eindringen der winzigen Hochgeschwindigkeitspartikel zu verhindern. Laut den Forschern hinter dem Projekt übertrifft die neue Nanotech-Rüstung im Vergleich zu Stahl, Kevlar, Aluminium oder schlagfesten Materialien mit vergleichbarem Gewicht alle.
„Die gleiche Masse unseres Materials würde ein Projektil viel effizienter aufhalten als die gleiche Masse von Kevlar“, erklärt der Hauptautor der Studie, Carlos Portela, Assistenzprofessor für Maschinenbau am MIT.
Dies könnte möglicherweise bedeuten, dass das neue Material bei einer Produktion in größerem Maßstab in der Lage sein sollte, eine sehr robuste, leichte Alternative zu herkömmlicheren schlagfesten Materialien (z. B. Kevlar oder Stahlplatten) bereitzustellen.
Nanotech-Rüstungswirkung
Screenshot von Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen von Hochgeschwindigkeitspartikeln, die auf das Zielmaterial zu rasen. Quelle: MIT
„Das Wissen aus dieser Arbeit … könnte Konstruktionsprinzipien für ultraleichte, stoßfeste Materialien [zur Verwendung in] effizienten Panzerungsmaterialien, Schutzbeschichtungen und explosionsfesten Schilden liefern, die in Verteidigungs- und Weltraumanwendungen wünschenswert sind“, fügte der Co-Autor der Studie hinzu Julia R. Greer, Professorin für Materialwissenschaften, Mechanik und Medizintechnik am Caltech.
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Um die Zähigkeit ihres neuen Materials zu testen, beschlossen die Ingenieure, es mit Überschallpartikeln zu beschießen und zu untersuchen, wie es reagierte. herzustellen . Dies wurde zuerst bei Caltech durchgeführt, das ein Stück des Nanomaterials verwendete, das mit Zwei-Photonen-Lithographie hergestellt wurde, um ein Tetrakaidekaeder (eine Gitterkonfiguration aus mikroskopischen Streben)
Diese Struktur, stellen die Autoren der Studie fest, wurde in der Vergangenheit in energieabsorbierenden Schäumen verwendet. Der Grund dafür ist, dass Kohlenstoff normalerweise ziemlich spröde ist, aber diese 3D-Struktur sollte ihm die nötige Flexibilität verleihen, um sich schnell zu verformen, ohne vollständig zu brechen.
Nach der Herstellung wurde das Material gewaschen, um Harzreste zu entfernen, und dann in einem Hochtemperatur-Vakuumofen gebacken, um das Polymer in eine ultraleichte Nanostruktur aus reinem Kohlenstoff umzuwandeln.
Nachdem das Material fertig war, wurde es hochenergetischen Stößen von 14 Mikron breiten kugelähnlichen Siliziumoxidpartikeln ausgesetzt. Die Partikel wurden mithilfe von Lasern, die durch einen mit Gold und Siliziumoxid beschichteten Objektträger fokussiert wurden, auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt.
Dieser Prozess führt zur Erzeugung eines Plasmas aus dem Gold, das Partikel des Siliziumoxids in Richtung des Lasers schiebt – sehr schnell. Dieser Aufbau ermöglichte es den Forschern, die Geschwindigkeit der abgefeuerten Mikropartikel präzise zu steuern, sodass sie Geschwindigkeiten zwischen 89,5 mph (40 Meter pro Sekunde) und 2.461 mph (1.100 Meter pro Sekunde) testen konnten.
Als Referenz: Die Schallgeschwindigkeit beträgt 761 mph (etwa 340 Meter pro Sekunde) auf Meereshöhe.
Die Einschläge wurden mit Hochgeschwindigkeitskameras erfasst und die Ergebnisse sorgfältig untersucht, um zu sehen, wie das Material reagierte. Bei der Verwendung von zwei unterschiedlichen Dichten stellten sie fest, dass die dichtere Variante (mit dickeren Streben) widerstandsfähiger war und Partikel dazu neigten, sich in das Material einzubetten, anstatt es zu durchbrechen.
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Auswirkungen von Nanotech-Materialien1
Mithilfe von Hochgeschwindigkeitskameras konnte das Team untersuchen, wie das Material auf Stöße mit hoher Geschwindigkeit reagierte. Quelle: MIT
Durch weitere Studien, einschließlich Schnitte, fanden sie heraus, dass sie sogar vorhersagen konnten, wie das Material reagieren wird, indem sie das Buckingham-Π-Theorem verwenden , das normalerweise zur Untersuchung von Meteoriteneinschlägen verwendet wird.
In Zukunft hofft das Team, ihre Erkenntnisse nutzen zu können, um die Stoßfestigkeit anderer Materialien und Konfigurationen mit Nanoarchitektur sowie anderer Materialien jenseits von Kohlenstoff vorherzusagen.
„Materialien mit Nanostruktur sind wirklich vielversprechend als stoßdämpfende Materialien“, sagt Portela. „Es gibt vieles, was wir noch nicht über sie wissen, und wir beginnen diesen Weg, um diese Fragen zu beantworten und die Tür zu ihren weit verbreiteten Anwendungen zu öffnen.“
Diese Forschung wurde teilweise vom US Office of Naval Research, dem Vannevar Bush Faculty Fellowship und dem US Army Research Office über das Institute for Soldier Nanotechnologies am MIT unterstützt.
Sie können die Original-Forschungsarbeit in der Zeitschrift Nature Materials lesen .
LINK: New Ultralight Material Is Tougher than Steel and Kevlar