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新材料:ケフラル繊維より優れた軽質装甲材料

2022/3/3 11:12:00 0

重量は通常、科学者たちが防弾材料の境界を推進する重要な考慮要素であり、彼らが想像している鎧は着用者の安全を保証すると同時に、彼らの機動性を高めることができる。ウィスコンシン大学マディソン校のエンジニアたちは現在、「ナノ繊維マット」と呼ばれる新しい超軽量装甲材料を製造しており、ケフラル繊維と鋼よりも独特の化学特性を持っている。

この新しい装甲の基礎は厚さが1原子しかない微小炭素柱である。これらはカーボンナノチューブと呼ばれ,トランジスタ研究から治療視力低下,爆弾検出装置まで,次世代材料としての発展の見通しを示している。

装甲材料のためにカーボンナノチューブを調整する際,この新しい研究の著者らは多壁版のカーボンナノチューブを採用し,ケフラルナノ繊維と結合した。この考えは初期の研究に基づいて--これらの材料が衝撃を吸収する面での潜在力を証明し、それらがより実用的な護甲ソリューションに形成できるかどうかを見る。

この研究をリードしているRamathasan Thevamaran氏は、「ナノ繊維材料は、マクロ規模の繊維に比べて強度、靭性、剛性に優れているため、保護用途に非常に魅力的です。カーボンナノチューブパッドは、現在までに最高のエネルギー吸収を示しており、それらの性能をさらに向上させることができるかどうかを見てみたい」。

そのため、科学者たちは成功した秘法を見つけるまで化学を補修した。彼らはケフラル繊維を合成し、カーボンナノチューブからなる「マット」に少量含ませ、両者の割合が適切であり、繊維間に水素結合を過剰に生成させることができる。これらのキーの結果は性能の大きな飛躍である。

Thevamaran氏は次のように述べた。「水素結合は動的結合であり、これは連続的に破断して再形成できることを意味し、この動的プロセスによってエネルギーを大量に消費することを可能にする。また、水素結合はこの相互作用のためにより多くの硬度を提供し、ナノファイバーマットの強度と硬度を強化する。ケフラル繊維を添加することによってマット中の界面相互作用を修正すると、いくつかの超音速衝撃速度で100%近くのエネルギー散逸性能の改善を実現できる」と述べた。

このチームは微小弾丸衝撃試験システムを用いてこの材料を試験した。このシステムはレーザを用いて材料試料に異なる速度で微小弾丸を発射して試験を展開するという。

Thevamaranは次のように紹介しています。「我々のシステムはこのように設計されており、実際に顕微鏡の下で弾丸を選択し、目標を非常に制御可能な方法で射撃することができ、その速度は毎秒100メートルから毎秒1キロを超える速度まで変化することができる。これにより、水素結合相互作用が発生したときの材料の反応を観察することができる。”

実験により,この新しい材料はケフラ織物や鋼板よりも高速衝撃から人々を保護できることが分かった。これは、防弾衣だけでなく、高性能で超軽量の装甲材料に基礎を提供しています。研究者によると、この材料は宇宙機に高速空間の破片の衝撃を吸収させる可能性があるという。

Thevamaran氏は、「私たちのナノファイバーマットは、他の材料システムをはるかに超え、重量も軽い保護性能を示しています」と話しています。