Para peneliti telah lama bekerja untuk menemukan bahan baru yang lebih baik dalam menahan tusukan berkecepatan tinggi, tetapi sulit untuk menghubungkan detail mikroskopis dari bahan baru yang menjanjikan dengan perilaku aktualnya di dunia nyata.
Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti di National Institute of Standards and Technology (NIST) telah menemukan metode baru yang menggunakan proyektil dan data yang dipancarkan laser untuk membantu memprediksi sifat dan perilaku mikroskopis dari bahan target, seperti yang ditunjukkan dalam Bahan Terapan ACS. & Artikel Antarmuka. Ini dilakukan dengan menggunakan laser intensitas tinggi untuk menembakkan proyektil mikro dengan kecepatan yang mendekati kecepatan suara pada bahan target, yang dalam hal ini adalah film polimer yang mewakili bahan tahan tusukan yang akan diuji.
Pertukaran energi antara partikel dan sampel bahan yang diuji dianalisis pada tingkat mikroskopis, dan kemudian metode penskalaan digunakan untuk memprediksi ketahanan bahan terhadap tusukan oleh proyektil berenergi tinggi yang lebih besar, seperti peluru. Sama seperti itu, menggabungkan pengujian dengan metode analisis dan penskalaan memungkinkan para ilmuwan menemukan bahan baru yang tahan tusukan. Program baru ini mengurangi kebutuhan akan serangkaian eksperimen laboratorium yang panjang menggunakan proyektil dan sampel yang lebih besar.
Kimiawan NIST Katherine Evans menjelaskan, "Ketika Anda menyelidiki bahan baru untuk aplikasi pelindung, dengan pendekatan baru kami, kami dapat mempelajari lebih awal apakah sifat pelindungnya layak untuk diselidiki."
Sintesis polimer baru dalam jumlah kecil dapat dilakukan secara rutin dalam eksperimen laboratorium; tantangannya adalah meningkatkan kuantitas untuk menguji ketahanan tusukannya - bahan yang terbuat dari polimer sintetik baru, meningkatkan hingga jumlah yang cukup seringkali tidak mungkin atau tidak praktis.
Masalah dengan pengujian balistik adalah bahwa ada dua langkah yang harus Anda ambil saat membuat bahan baru, "kata Christopher Soles, seorang insinyur penelitian bahan di NIST. Anda harus terlebih dahulu mensintesis polimer baru yang menurut Anda lebih baik, lalu menskalakan hingga tingkat kilogram. Pencapaian besar dari pekerjaan ini adalah kami secara mengejutkan menemukan bahwa pengujian mikrobalistik dapat ditingkatkan dan dikaitkan dengan pengujian skala besar di dunia nyata."
Selama penelitian, para peneliti mengevaluasi beberapa bahan menggunakan metodologi mereka, termasuk sampel senyawa kaca balistik yang banyak digunakan, nanokomposit baru, dan bahan graphene.
Metode pengujian ini disebut LIPIT, yang merupakan singkatan dari "pengujian dampak proyektil yang diinduksi laser. Metode ini menggunakan laser untuk menembakkan proyektil mikro yang terbuat dari silika atau kaca menjadi film tipis dari bahan yang diinginkan. Melalui ablasi laser, laser menghasilkan tekanan tinggi gelombang yang mendorong bahan proyektil ke dalam sampel.
Para peneliti pertama kali menggunakan metode untuk menganalisis jenis nanokomposit yang disebut komposit polimetakrilat nanopartikel (npPMA) yang dicangkokkan polimer. Ini terdiri dari nanopartikel silika yang dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk rompi antipeluru. Laser mendorong bom mikro ke arah material target dengan kecepatan 100 hingga 400 meter per detik, dan kamera video digunakan untuk mengukur dampaknya.
Para peneliti menggabungkan pengukuran yang diperoleh pada npPMA dengan analisis matematis tambahan, bersama dengan data materi yang ada dari literatur penelitian, untuk menghubungkan hasil uji bom mikro dengan dampak pada dampak yang lebih besar. Karena npPMA adalah bahan baru yang tidak mudah dibuat, mereka memperluas analisisnya dengan menyertakan senyawa yang lebih umum digunakan (polikarbonat), yang banyak digunakan sebagai kaca antipeluru.
Dengan menggunakan kombinasi hasil literatur, analisis dimensi, dan metodologi LIPIT, para peneliti dapat menunjukkan bahwa ketahanan tusukan material berkorelasi dengan tegangan maksimum yang dapat ditahan material sebelum patah (yaitu, tegangan kegagalan). Ini menantang pemahaman saat ini tentang kinerja balistik, yang sering dianggap terkait dengan bagaimana gelombang tekanan melewati suatu material.
Metode baru mereka memungkinkan mereka untuk menentukan batas kekuatan suatu material, atau berapa banyak tekanan dan tekanan yang dapat ditahannya, tanpa harus mengukur sifat-sifat ini secara langsung sebelumnya, yang membantu mengoptimalkan material mana yang akan dipilih dalam percobaan. Ini memungkinkan mereka untuk mengeksplorasi bahan seperti graphene, yang menunjukkan bahwa beberapa lapisan film tipis dari bahan tersebut dapat digunakan untuk aplikasi tahan benturan, mirip dengan polimer berkinerja tinggi.
Untuk langkah selanjutnya, para peneliti berencana untuk mengevaluasi sifat balistik dari bahan baru lainnya dan menyelidiki berbagai jenis dan konfigurasi. Mereka juga akan memvariasikan ukuran peluru mikro dan memperluas jangkauan kecepatannya.
