Los investigadores del Ejército y del MIT avanzaron en un dispositivo experimental único para probar mejor la durabilidad de materiales poliméricos robustos y de alto rendimiento que parecen fortalecerse bajo el ataque de un impacto rápido.

Dr. Alex Hsieh del Laboratorio de Investigación del Ejército, junto con el profesor Keith A. Nelson, Dr. David Veysset y Dr. Steven Kooi, del Instituto de Nanotecnología de Soldados del Ejército en el MIT, descubrió que cuando los objetivos hechos de elastómeros de poli (uretano urea) o PUU son impactados a muy alta velocidad por micropartículas hechas de sílice, el objetivo PUU muestra un comportamiento hiperelástico. Es decir, se vuelven extremadamente rígidos cuando se deforman a velocidades de deformación del orden de 108 / s? lo que significa aproximadamente que el material del objetivo se deforma a la mitad de su espesor original en un tiempo extremadamente corto igual a un segundo dividido por cien millones. Las PUU también se recuperan después del impacto, dijo Hsieh.

El dispositivo de prueba utiliza un láser pulsado para disparar balas del tamaño de un micrómetro a objetivos hechos de PUU. Los investigadores encontraron, por primera vez, "Comportamientos que contrastan enormemente con la respuesta al impacto observada en un elastómero de polidimetilsiloxano reticulado donde las micropartículas penetraron en el objetivo y el material objetivo no rebotó ni se recuperó por completo".

Los científicos dicen que su descubrimiento en elastómeros a granel puede ayudar a diseñar materiales de matriz para compuestos para la futura generación de cascos de combate del Ejército de EE. UU. El casco de combate mejorado del Ejército utiliza compuestos a base de fibras de UHMWPE o polietileno de peso molecular ultra alto de alto rendimiento. Estas fibras tienen una alta resistencia a la rotura, por unidad de área de sección transversal, unas quince veces más resistentes que el acero, pero flexibles como las telas.

Los diseños de materiales de armadura tradicionales incluyen cerámica, metales y compuestos ligeros reforzados con fibra para la protección de soldados y vehículos que generalmente se basan en la rigidez? la resistencia de un material a la deformación? y dureza? la capacidad de absorber energía y deformarse plásticamente antes de la fractura.

Pero desde la perspectiva de la ciencia de los materiales, estas métricas de volumen estándar por sí solas no son suficientes para cuantificar qué tan rápido las moléculas en un polímero sólido pueden cambiar su movilidad con respecto a la velocidad de deformación, ¿ni la propensión a un cambio de su respectivo estado físico durante la deformación dinámica? es decir, ¿podrían los elastómeros cambiar de similares al caucho a similares al vidrio cuando se deforman a velocidades cada vez mayores?

Hsieh dijo que el equipo se centró en los polímeros, que se componen de una gran cantidad de pequeñas unidades moleculares que se unen para formar cadenas muy largas, que puede estar bien organizado o empaquetado al azar. Específicamente, materiales poliméricos que son fuertes como gafas de seguridad resistentes a los impactos o flexibles como gomas. Los elastómeros son una clase de cauchos artificiales, que se puede sintetizar a partir de una amplia gama de químicas de polímeros. "Generalmente tienen un módulo de Young bajo, lo que significa una baja resistencia a la deformación elástica bajo carga en condiciones ambientales, y mayor tensión de falla? la capacidad de soportar una cantidad significativamente mayor de tensión antes de fallar? que la mayoría de los materiales plásticos, " él explicó.

Para validar aún más la influencia molecular, el equipo ha realizado estudios exhaustivos sobre PUU junto con un policarbonato vítreo. Si bien el policarbonato es conocido por su alta tenacidad a la fractura y resistencia balística, estas PUU, independientemente de su respectiva composición, exhibió una mayor rigidez dinámica durante el impacto a velocidades de deformación del orden de 108 / s. Es más, se puede optimizar la resistencia a la penetración de las micropartículas, es decir, se logró una reducción de ~ 50% en la profundidad de penetración máxima promedio simplemente variando la composición molecular de las PUU.

"Esto es muy emocionante". dijo el Dr. Hsieh "Ver para creer. La nueva comprensión de estos descubrimientos de investigación - la esencia del fenómeno hiperelástico en elastómeros a granel, particularmente en el momento de la interacción objetivo / impulso - señala fuertemente que es una vía plausible clave para manipular la física de fallas y hacia una nuevo paradigma de diseño para materiales robustos ".

Se sabe que las PUU tienen una microestructura compleja junto con una amplia gama de tiempos de relajación, las características que se utilizan para reflejar la eficiencia de cómo las moléculas en las cadenas de polímeros responden a un impulso externo. Específicamente, para moléculas de PUU con tiempos de relajación más largos del orden de microsegundos en condiciones ambientales, p.ej., dinámica más lenta, permitiendo el refuerzo dinámico, mientras que aquellos con tiempos de relajación de nanosegundos en condiciones ambientales fueron capaces de proporcionar absorción de energía adicional hacia el fortalecimiento dinámico. Estas características viscoelásticas muestran que los elastómeros, así como otros materiales poliméricos, pueden deformarse de diferentes formas dependiendo en gran medida de la rapidez con la que se deforman.

El equipo planteó la hipótesis de que ¿un mecanismo cooperativo de relajación molecular? asemejándose a un fenómeno de resonancia de movimientos moleculares "similares a una cota de malla", cada uno de los cuales oscila a frecuencias específicas para disipar la energía absorbida. Estas características dinámicas de fortalecimiento y rigidez podrían presumiblemente ser facilitadas por enlaces de hidrógeno intermoleculares presentes en toda la red físicamente reticulada en PUU. A diferencia de, la relajación de microsegundos en condiciones ambientales no está presente en el policarbonato ni los enlaces de hidrógeno y el mecanismo molecular habilitador correspondiente están disponibles en el policarbonato, a pesar de su dureza y resistencia al impacto. Por lo tanto, Los PUU o elastómeros de alto rendimiento con múltiples tiempos de relajación son muy deseados y clave para permitir tanto el fortalecimiento dinámico como el endurecimiento dinámico en la escala temporal de microsegundos a nanosegundos.

Estas observaciones únicas fueron elaboradas en un artículo publicado recientemente en Polímero , 123 (2017) 30-38.

Mientras tanto, materiales como poliuretano, similar a PUU, ya que los elastómeros de matriz se comportaron mejor contra la deformación de la cara posterior que se encuentra en los compuestos ligeros de UHMWPE. Esto es esencialmente el pandeo del material dentro de los cascos de combate que transfieren grandes fuerzas al cráneo y causan un trauma por impacto contundente. PUU, poliuretanos y elastómeros similares, Hsieh dijo:que exhiben un fortalecimiento dinámico en deformaciones de alto índice y reducen significativamente la deformación del casco bajo impacto, para la integración con fibras de última generación, puede ser de gran beneficio para futuros cascos de combate.

Además de los cascos de combate, Otras aplicaciones potenciales de elastómeros robustos de alto rendimiento para la protección de los soldados incluyen, entre otras, pantallas faciales transparentes, protectores faciales mandibulares, chalecos balísticos, equipo de protección de extremidades, y botas de combate resistentes a explosiones.

También se prevé que este descubrimiento de investigación sobre el fenómeno hiperelástico de las PUU, particularmente en el momento del impacto a muy alta velocidad, también atraviesa ámbitos previsibles, como la protección de los jugadores de fútbol profesional y los atletas jóvenes contra las conmociones cerebrales o cualquier otra lesión cerebral provocada por las colisiones. Desde la perspectiva del diseño de materiales, Los elastómeros robustos de alto rendimiento se pueden utilizar como las capas más externas del casco o simplemente para reemplazar la carcasa de policarbonato. dijo Hsieh.