Ingenieure der University of Wisconsin-Madison haben ein Nanofasermaterial entwickelt, das seine weit verbreiteten Gegenstücke - darunter Stahlplatten und Kevlar-Gewebe - beim Schutz gegen den Einschlag von Hochgeschwindigkeitsprojektilen übertrifft.
Im Grunde ist es besser als kugelsicher.
"Unsere Nanofasermatten weisen Schutzeigenschaften auf, die andere Materialsysteme bei weitem übertreffen, und das bei einem wesentlich geringeren Gewicht", sagt Ramathasan Thevamaran, ein Assistenzprofessor für technische Physik an der UW-Madison, der die Forschungsarbeiten leitete.
Er und seine Mitarbeiter beschreiben diesen Fortschritt in einer kürzlich in der Zeitschrift ACS Nano veröffentlichten Arbeit.
Um das Material herzustellen, mischten Thevamaran und der Postdoktorand Jizhe Cai mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren - Kohlenstoffzylinder, die in jeder Schicht nur ein Atom dick sind - mit Kevlar-Nanofasern. Die so entstandenen Nanofasermatten können die Energie des Aufpralls winziger Projektile, die sich schneller als mit Schallgeschwindigkeit bewegen, hervorragend ableiten.
Der Fortschritt legt den Grundstein für den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren in leichten, hochleistungsfähigen Panzermaterialien, z. B. in kugelsicheren Westen, um den Träger besser zu schützen, oder in Schilden um Raumfahrzeuge herum, um Schäden durch schnell fliegende Mikrotrümmer zu mindern.
"Nanofaser-Materialien sind für Schutzanwendungen sehr attraktiv, da nanoskalige Fasern im Vergleich zu makroskaligen Fasern eine hervorragende Festigkeit, Zähigkeit und Steifigkeit aufweisen", sagt Thevamaran. "Matten aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben bisher die beste Energieabsorption gezeigt, und wir wollten sehen, ob wir ihre Leistung weiter verbessern können."
Sie haben die richtige Chemie gefunden. Das Team synthetisierte Kevlar-Nanofasern und fügte eine winzige Menge davon in ihre Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Matten ein, wodurch Wasserstoffbrücken zwischen den Fasern entstanden. Diese Wasserstoffbrücken veränderten die Wechselwirkungen zwischen den Nanofasern und bewirkten zusammen mit der richtigen Mischung aus Kevlar-Nanofasern und Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen dramatischen Sprung in der Gesamtleistung des Materials.
"Die Wasserstoffbrückenbindung ist eine dynamische Bindung, d. h. sie kann sich ständig brechen und wieder neu bilden, so dass sie durch diesen dynamischen Prozess eine große Menge an Energie abbauen kann", sagt Thevamaran. "Außerdem verleihen Wasserstoffbrücken dieser Wechselwirkung mehr Steifigkeit, was die Nanofasermatte stärkt und steifer macht. Als wir die Grenzflächenwechselwirkungen in unseren Matten durch die Zugabe von Kevlar-Nanofasern modifizierten, konnten wir die Energiedissipationsleistung bei bestimmten Überschall-Aufprallgeschwindigkeiten um fast 100 % verbessern."
Bringt die Kugeln her. Die Forscher testeten ihr neues Material mit einem laserinduzierten Mikroprojektil-Aufprallprüfsystem im Labor von Thevamaran. Das System ist eines von nur einer Handvoll solcher Systeme in den Vereinigten Staaten und verwendet Laser, um Mikrogeschosse in die Materialproben zu schießen.
"Unser System ist so konzipiert, dass wir ein einzelnes Geschoss unter dem Mikroskop auswählen und es sehr kontrolliert auf das Ziel schießen können, mit einer sehr kontrollierten Geschwindigkeit, die von 100 Metern pro Sekunde bis zu über 1 Kilometer pro Sekunde variiert werden kann", sagt Thevamaran. "Dadurch konnten wir Experimente auf einer Zeitskala durchführen, auf der wir die Reaktion des Materials beobachten konnten - während die Wasserstoffbrückenbindungen aufeinander einwirken.
Neben seiner Schlagfestigkeit besteht ein weiterer Vorteil des neuen Nanofasermaterials darin, dass es wie Kevlar sowohl bei sehr hohen als auch bei sehr niedrigen Temperaturen stabil ist, was es für Anwendungen in einem breiten Spektrum extremer Umgebungen geeignet macht.
Die Forscher melden ihre Innovation über die Wisconsin Alumni Research Foundation zum Patent an.
Claire Griesbach, eine Doktorandin der Ingenieurphysik, ist Mitautorin der Studie.
Diese Forschung wurde mit Mitteln des U.S. Army Research Office und des UW-Madison Office of the Vice-Chancellor for Research and Graduate Education unterstützt.
Für weitere Informationen:
https://news.wisc.edu/new-lightweight-super-material-could-battle-bullets-deflect-space-debris/ [This is automatically translated from English]