Специалисты из Университета Висконсин-Мэдисон разработали новый сверхлегкий материал на основе углеродных нотрубок, который  по своим уникальным химическим характеристикам превосходит кевлар и сталь.

При работе над пуленепробиваемыми материалами исследователи в первую очередь обращают внимание на вес материала, пытаясь сохранить мобильность бронетехники и при этом обеспечить ее безопасность.

Группа инженеров из Университета Висконсин-Мэдисон создала новый сверхлегкий броневой материал под названием "нановолоконный мат".

 

В основе новой структуры лежат крошечные цилиндры из углерода, толщина которых равна толщине одного атома. Данная модификация углерода, (более известная как углеродные нанотрубки), обещает стать основой для создания нового поколения материалов в различных областях, например, в борьбе с изменением климата или для спасения жизней.

Как изготавливается нановолоконный мат

Для создания нового пуленепробиваемого материала авторы исследования использовали многостенные углеродные нанотрубки в сочетании с нановолокнами кевлара. Углеродные нанотрубки были выбраны потому, что в более ранних исследованиях они продемонстрировали хорошие ударопоглощающие свойства.

"Нановолокнистые материалы очень привлекательны для изготовления защитной амуниции, поскольку нановолокна обладают исключительной прочностью, вязкостью и жесткостью в отличие от макроволокон", - объясняет Раматхасан Тевамаран, профессор инженерной физики Университета Вашингтона в Мэдисоне. "Маты из углеродных нанотрубок до сих пор отличались наилучшим поглощением энергии, и мы попытались выяснить, возможно ли еще больше улучшить их эффективность".

В ходе экспериментов, определив оптимальное соотношение кевларовых нановолокон и "нановолоконных матов", ученым удалось создать настолько мощные водородные связи, что это позволило добиться резкого роста прочностных характеристик.

"Водородная связь - это динамическая связь, то есть она может постоянно разрываться и снова образовываться, что позволяет ей рассеивать большое количество энергии через этот динамический процесс", - сказал Тевамаран. "Кроме того, водородные связи обеспечивают большую жесткость этого взаимодействия, что укрепляет и придает жесткость нановолоконному мату. Когда мы изменили межфазные взаимодействия в наших матах, добавив нановолокна кевлара, мы смогли добиться почти 100-процентного улучшения характеристик рассеивания энергии при определенных сверхзвуковых скоростях удара".

Новый материал был протестирован с помощью специальной установки, выпускающей микроскопические пули со скоростью от 100 до 1000 метров в секунду. Результаты испытаний показали, что новая мембрана защищает от высокоскоростных ударов гораздо лучше, чем кевлар или стальные пластины.

По мнению исследователей, этот материал позволит космическим аппаратам поглощать удары от высокоскоростных фрагментов космического мусора.

Аннотация

Source: American Chemical Society

Достижение экстремальных динамических характеристик нановолокнистых материалов требует синергетического использования внутренних свойств нановолокон и межволоконных взаимодействий. Несмотря на превосходную внутреннюю жесткость и прочность углеродных нанотрубок (УНТ), слабая природа ван-дер-ваальсовых взаимодействий ограничивает возможности матов УНТ в достижении большей производительности. Учёные разработали эффективный подход к усилению межволоконных взаимодействий путём введения арамидных нановолокон (ANF) между УНТ, которые образуют более прочные и реконфигурируемые межфазные водородные связи и π-π стекинг взаимодействия, что приводит к синергетическому улучшению характеристик и замедляет процесс разрушения. При сверхзвуковых ударах усиленные взаимодействия в матах из УНТ повышают удельное поглощение энергии до 3,6 МДж/кг, что превосходит широко используемые защитные материалы на основе кевларовых волокон. Различные временные шкалы отклика разрыва и реформации водородных связей при деформациях со сверхвысокой скоростью (∼107-108 с-1) дополнительно демонстрируют зависящее от скорости деформации улучшение динамических характеристик. В результате получены результаты, свидетельствующие об усилении динамических характеристик в зависимости от скорости деформации. Полученные результаты показывают перспективность нановолоконных матов, дополненных межфазными динамическими связями ( например, водородными), в качестве низкоплотных структурных конструкций с превосходными удельными свойствами и высокотемпературной стабильностью для экстремальных инженерных применений.

Источники: Американское химическое общество, Университет Висконсин-Мэдисон https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07465
https://news.wisc.edu/new-lightweight-super-material-could-battle-bullets-deflect-space-debris/