Физики изучили ультратонкий материал, останавливающий пули на лету

Руководители исследования Нэд Томас (слева) и Чэ-Хвань Ли (Jae-Hwang Lee) демонстрируют три пули, которые остановил "слоёный" материал

Руководители исследования Нэд Томас (слева) и Чэ-Хвань Ли (Jae-Hwang Lee) демонстрируют три пули, которые остановил "слоёный" материал
(фото Tommy LaVergne, Rice University).

Чёрные и белые полосы обозначают мягкие и твёрдые слои материала. Хорошо видно, как круглая сфера, мчащаяся со скоростью 1100 метров в секунду, деформирует структуру

Чёрные и белые полосы обозначают мягкие и твёрдые слои материала. Хорошо видно, как круглая сфера, мчащаяся со скоростью 1100 метров в секунду, деформирует структуру
(иллюстрация Thomas Lab/Rice University).

Снимок, сделанный электронным микроскопом, показывает деформированную сферу из кремнезёма и слоистую структуру материала

Снимок, сделанный электронным микроскопом, показывает деформированную сферу из кремнезёма и слоистую структуру материала
(иллюстрация Thomas Lab/Rice University).

(a) Фотография медных 9-миллиметровых пуль в полиуретановом диске (авторство Cleargard, BAE Systems), (b) Увеличенное изображение снаряда и его пути. Масштабная линейка √ 5 мм, (c) Схема структуры на наноуровне

(a) Фотография медных 9-миллиметровых пуль в полиуретановом диске (авторство Cleargard, BAE Systems), (b) Увеличенное изображение снаряда и его пути. Масштабная линейка √ 5 мм, (c) Схема структуры на наноуровне
(иллюстрация Nature Communications).

Руководители исследования Нэд Томас (слева) и Чэ-Хвань Ли (Jae-Hwang Lee) демонстрируют три пули, которые остановил "слоёный" материал
Чёрные и белые полосы обозначают мягкие и твёрдые слои материала. Хорошо видно, как круглая сфера, мчащаяся со скоростью 1100 метров в секунду, деформирует структуру
Снимок, сделанный электронным микроскопом, показывает деформированную сферу из кремнезёма и слоистую структуру материала
(a) Фотография медных 9-миллиметровых пуль в полиуретановом диске (авторство Cleargard, BAE Systems), (b) Увеличенное изображение снаряда и его пути. Масштабная линейка √ 5 мм, (c) Схема структуры на наноуровне

Физики из университета Райса (Rice University) и Массачусетского технологического института (MIT) изучали свойства полиуретана. Макроскопические баллистические тесты показали, что этот полимерный материал может не просто останавливать на лету 9-миллиметровые пули, но и "заращивать" входные отверстия.

"Полимер останавливает и фактически запечатывает их в себе, — рассказывает один из руководителей исследования Нэд Томас (Ned Thomas), демонстрируя небольшой кусок прозрачного пластика с тремя застывшими в нём снарядами. – Макроскопического ущерба никакого нет, материал не подвёл, трещины не образовались. Вы по-прежнему можете видеть сквозь него".

Руководители исследования Нэд Томас (слева) и Чэ-Хвань Ли (Jae-Hwang Lee) демонстрируют три пули, которые остановил "слоёный" материал (фото Tommy LaVergne, Rice University).

Учёные решили разобраться, что происходит с этим необычным материалом при внезапном ударе пули, как происходит диссипация энергии. "Экспериментально полиуретан работает замечательно, но никто не понимал, почему", — добавляет Томас.

Проблема была в том, что никто не станет расчленять материал на слои и изучать их поведение на наноуровне. Это заняло бы слишком много времени. Для ускорения процесса исследователи решили создать модель, которая бы вела себя как полиуретан. В конце концов они остановили свой выбор на материале с длинным и труднопроизносимым названием – полистирен-полидиметилсилоксан диблок-сополимер.

Этот материал состоит из 20-нанометровых чередующихся слоёв полимеров, обладающих свойствами стекла (полистирен) и резины (полидиметилсилоксан). Под "оком" сканирующего электронного микроскопа его срез выглядит как поверхность вельвета.

Вместо пуль учёные использовали бусины из кремнезёма диаметром 3 микрометра. Стрелять ими непросто, поэтому в ход пошёл лазер, позволявший при помощи специальной подложки разогнать снаряды до нужной скорости (от 0,5 до 5 километров в секунду). После ударов сфер изменение структуры материала физики изучали при помощи того же сканирующего электронного микроскопа.

"После удара мы рассматривали поперечное сечение и видели, как глубоко входит сфера, что происходит с этими прекрасными параллельными слоями. Они рассказывали эволюцию проникновения снаряда и помогали понять, какие процессы могут происходить на наноуровне", — рассказывает Томас.

Снимок, сделанный электронным микроскопом, показывает деформированную сферу из кремнезёма и слоистую структуру материала (фото Thomas Lab/Rice University).

Американцы запускали "микропули" перпендикулярно и параллельно слоям. Так учёные выяснили, что важно, под каким углом миниснаряд входит в защитное покрытие. Для лучшей диссипации энергии удара необходимо, чтобы путь сферы был перпендикулярен поверхности. Тогда ударная волна частично отражается слоями, и материал лучше останавливает "нарушителя".

Что же касается механизма происходящих изменений, то физики установили, что деформация материала происходит следующим образом. При вхождении микропули слои сжимаются, как в стопке блинов, начинается скручивание и разделение структуры на фрагменты. При этом вместо трещин происходит практически мгновенное плавление и смешивание слоёв. Энергия разогнанной сферы заставляет жидкую фазу на доли секунды разогреться до 3000 °C. После материал столь же быстро снова затвердевает, запечатывая входное отверстие пули.

Учёные пришли к выводу, что структура из слоёв с разными свойствами на 30% лучше останавливает снаряд.

(a) Фотография медных 9-миллиметровых пуль в полиуретановом диске (авторство Cleargard, BAE Systems), (b) Увеличенное изображение снаряда и его пути. Масштабная линейка – 5 мм, (c) Схема структуры на наноуровне (иллюстрация Nature Communications).

Понимание всех этих механизмов в дальнейшем поможет в разработке других стойких материалов, отмечают специалисты. В конце концов учёные хотели бы найти способы улучшения различных конструкций. Так, прозрачное и почти невесомое покрытие могло бы пригодиться для защиты лопастей турбин реактивных двигателей от разогнанных до высоких скоростей частичек пыли, космических спутников от микрометеоритов и даже обычных ветровых стёкол автомобилей от мелких камней.

Кроме того, методы, использованные в этом исследовании, сослужили бы хорошую службу при изучении других материалов, отличающихся небольшим весом и особой прочностью. Речь о нитриде бора, композитах на основе графена и углеродных нанотрубок.

Полный обзор работы американских учёных можно найти в статье в журнале Nature Communications.

 

Также по теме:
Американцы испытали пули с лазерным наведением на цель
Новый камуфляж защитит солдат от укусов комаров и взрывов бомб
Инфракрасный камуфляж превратит танки в коров
Беспилотники научат понимать язык жестов