El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Está trabajando en el desarrollo de nuevos materiales cerámicos ligeros que resistan la fractura, y se ha asociado con investigadores de la Universidad de Florida para comprender mejor exactamente cómo estos materiales, que son adecuados para la protección personal del soldado y los sistemas del ejército, fractura, y cómo se pueden mejorar aún más. Se están enfocando en el fracaso a través del craqueo; el material eventualmente se desintegra en un estado similar a granular a través de un proceso llamado trituración.

"Si bien varios materiales cerámicos poseen una alta dureza, fallan fácilmente cuando se separan. Es decir, cuando se somete a fuerzas de tracción. La cantidad de tensión que estos materiales pueden soportar antes de fallar, es una pequeña fracción de la compresión que pueden soportar. Como resultado, El impacto a alta velocidad de las balas y los fragmentos provoca un gran agrietamiento y fragmentación del material. reduciendo su capacidad para utilizar completamente su dureza superior para resistir estados de estrés complejos generados por el evento de impacto, "explicó el Dr. Sikhanda Satapathy, de la Rama de Ciencias de Protección de Soldados de ARL.

Tradicionalmente, la relación entre la capacidad del material granular para resistir la compresión y su capacidad para resistir la deformación por cizallamiento, que hace que el material cambie de forma ha sido descrito por el modelo de Mohr-Coulomb. Este modelo se aproxima a la resistencia del material a la deformación por cizallamiento (resistencia al cizallamiento) como una función lineal de la presión aplicada. En realidad, la resistencia al cizallamiento no aumenta linealmente con la presión y se saturará a altas presiones.

Los investigadores de la UF desarrollaron un nuevo modelo que describe la respuesta del material granular con mayor precisión al estudiar el estado de tensión en el que fallan una variedad de cerámicas, según lo informado en la literatura por varios equipos de investigación.

El equipo de ARL y UF colaboraron para emplear este modelo de respuesta granular mejorado junto con un marco de modelado de expansión de cavidad dinámica para capturar la respuesta de la cerámica al estado complejo de estrés inducido por impacto que incluye compresión, tensión y cizallamiento. El marco de modelado de expansión dinámica de cavidades utiliza la presión requerida para expandir una cavidad en un material intacto para caracterizar su capacidad para resistir la penetración profunda. Esta presión por supuesto, depende de cómo responde el material a la compresión, fuerzas de tensión y cortante. Debido a la aplicabilidad de este nuevo modelo a una amplia clase de cerámicas, la necesidad de experimentos costosos para caracterizar la respuesta de penetración se reduce significativamente. El nuevo modelo de penetración mejora la comprensión de cómo la cerámica frágil responde a la tensión de alto impacto fracturando y triturando a material similar a granular. y aumenta la capacidad de modelado de eventos de penetración.

Se ha demostrado que el modelo mejorado predice mejor la resistencia de una amplia gama de objetivos cerámicos cuando se dispara con proyectiles de varilla larga a velocidades de hasta 3 km / s. Los parámetros importantes del material para el rendimiento de penetración de un objetivo cerámico se han identificado a través de este esfuerzo de colaboración, que guiará cómo se pueden controlar los procesos de falla en cerámica mediante un diseño de material mejorado o mediante un enfoque de sistemas de múltiples materiales.

"Comprender la mecánica de la respuesta del material a las condiciones de tensión generadas por el impacto de un proyectil es crucial en esta investigación, ", Dijo Satapathy. La investigación aparecerá en el Revista Internacional de Sólidos y Estructuras .