Из углеродных нанотрубок сделали невесомую броню, которая прочнее кевлара
Основой новой формы брони являются крошечные цилиндры из углерода толщиной в один атом. Они широко известны как «углеродные нанотрубки» и уже не раз демонстрировали многообещающие свойства для широкого спектра материалов следующего поколения. Эти нанотрубки подходят буквально для всего: от более совершенных транзисторов до лечения необратимых повреждений нервов.
Чтобы адаптировать нанотрубки к броневым материалам, авторы нового исследования взяли более толстостенные версии и объединили их с кевларовыми нановолокнами. Идея заключалась в том, чтобы опираться на более ранние исследования, демонстрирующие потенциал этих материалов в поглощении ударов, и попробовать превратить их в еще более функциональное решение для брони.
«Нановолоконные материалы очень привлекательны для защитных применений, поскольку сами нановолокна обладают выдающейся прочностью, ударной вязкостью и жесткостью по сравнению с макроволокнами», — пояснил Раматасан Тевамаран, руководитель исследования.
Для этого ученые долго возились с химическим составом, пока не нашли победный рецепт. Они синтезировали кевларовые нановолокна и включили лишь небольшое их количество в «маты», состоящие из углеродных нанотрубок, с правильным соотношением того и другого, что привело к образованию водородных связей между волокнами. Результатом стало резкое увеличение производительности.
«Водородная связь — это динамическая связь, а потому она может непрерывно разрываться и снова образовываться, что позволяет ей рассеивать большое количество энергии в процессе», — отметил Тевамаран. «Кроме того, водородные связи придают большую жесткость этому взаимодействию, что укрепляет и придает жесткость мату из нановолокна. Когда мы изменили межфазные взаимодействия в наших матах, добавив кевларовые нановолокна, то смогли добиться почти 100% улучшения характеристик рассеивания энергии при определенных сверхзвуковых скоростях удара».
На что способна броня из углеродных нанотрубок
Команда испытала материал с помощью системы испытаний на удар микроснарядов, в которой лазеры используются для запуска микропуль в образцы материала с различной скоростью.
«Наша система разработана таким образом, что мы можем выбрать одну пулю под микроскопом и выстрелить ею в цель предельно контролируемым образом, с контролируемой скоростью, которая может варьироваться от 100 метров до более чем 1 километра в секунду», — рассказал Тевамаран. «Это позволило нам проводить эксперименты в масштабе времени, когда мы могли наблюдать за реакцией материала — когда происходят взаимодействия водородных связей».
Эксперименты показали, что новый материал защищает от высокоскоростных ударов лучше, чем ткань из кевлара и стальные пластины. Это обеспечивает основу для высокоэффективных сверхлегких броневых материалов, и не только в бронежилетах. По словам исследователей, этот материал может позволить космическим кораблям поглощать удары высокоскоростного космического мусора.
«Наши маты из нановолокна обладают защитными свойствами, которые намного превосходят другие системы материалов при гораздо меньшем весе», — сказал Тевамаран,
Инженеры из Университета Висконсин-Мэдисон создали новый тип сверхлегкого броневого материала, описанного как «мат из нановолокна», который обладает уникальным химическим составом, позволяющим ему превзойти кевлар и сталь.