Группа исследователей из Массачусетского и Калифорнийского технологических институтов, а также Высшей технической школы Цюриха разработала сверхлегкий наноматериал, который может заменить кевлар, алюминий и другие ударопрочные материалы. Исследования показывают, что он эффективнее поглощает удары.
Для производства брони используются различные металлы, сплавы, пластики и композиционные вещества. Их недостатком является существенный вес. Также применяется кевлар, который считается одним из наиболее высокотехнологичных современных материалов.
Кевлар объединяет в себе механическую прочность с невысокой плотностью и массой. Кроме того, он устойчив к растяжению. В военном обмундировании кевлар выступает в качестве одного из слоев, главная задача которого – поглотить как можно большее количество энергии летящего снаряда. Этот эффект достигается благодаря особому сплетению волокон. Но даже по сравнению с кевларом наноматериал демонстрирует более высокие показатели.
Технология изготовления
Секрет прочности материала состоит в применении наноархитектуры. В основе – структуры углерода. В зависимости от их расположения слой приобретает определенные свойства. В данном случае – упругость и легкость. На первом этапе исследователи создали материал при помощи двухфотонной литографии. Метод заключается в быстром отверждении структур микроскопического размера с помощью мощного лазера и светочувствительной смолы.
При этом использовали повторяющийся узор тетракаидекаэдр. Он представляет собой решетку, состоящую из микроскопических распорок. Если в обычном состоянии углерод считается хрупким и жестким веществом, то этот тип наноархитектуры сделал его прочным и гибким.
Испытание на прочность
Следующий шаг – тестирование наноматериала на стойкость к экстремальным деформациям. Для этого его подвергли столкновениям с лазерными микрочастицами. В ходе эксперимента частицы оксида кремния (ширина 14 микрон) на высокой скорости ударялись об углеродный слой.
Ученые имели возможность регулировать мощность лазера, чтобы изменить скорость «снарядов» микрочастиц. Она варьировалась в пределах 40-1100 м/с. Это значит, что в некоторых случаях частицы оксида кремния летели в два раза быстрее скорости звука.
Благодаря высокоскоростной съемке ученые отследили поведение материала. Оказалось, что микрочастицы встраиваются в него, а не прошивают насквозь. При этом в месте столкновения распорки стали плотнее, однако архитектуру слоя снаряды не повредили. Результаты открывают широкие перспективы для дальнейшего совершенствования технологии.
