Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado una nueva forma de investigar las fibras de alto rendimiento utilizadas en las armaduras corporales modernas. Descrito en el Revista de ciencia de polímeros , la investigación puede ayudar a aumentar la confianza en la indumentaria que protege a las unidades militares, departamentos de policía y figuras públicas de los disparos. También puede conducir al desarrollo de nuevos materiales más ligeros para armaduras corporales en el futuro.

Las fibras de polímero de alto rendimiento se han utilizado en aplicaciones balísticas durante más de 40 años. Tradicionalmente, estas fibras se tejen juntas en una tela y luego se colocan en capas de 15 a 20 veces para hacer un chaleco con un grosor de aproximadamente 6 a 13 milímetros (un cuarto a media pulgada). Aunque es eficaz para detener o ralentizar las balas, los usuarios a veces han encontrado estos chalecos, que se usan debajo o sobre la ropa, ser pesado y voluminoso, similar a usar de 15 a 20 camisas a la vez en un caluroso día de verano. A muchos les gustaría una alternativa más cómoda.

La prueba de armaduras blandas ha sido una gran preocupación porque el despliegue de un nuevo tipo de fibra, que se cree que es superior al material anterior, falló inesperadamente en 2003. resultando en la muerte de un oficial de policía. Ese y otros incidentes provocaron el retiro del mercado en 2005 de algunos de los chalecos fabricados con el nuevo material.

Aunque el rendimiento de estos chalecos fue superior cuando estaban recién salidos de la caja y en perfectas condiciones, Las pruebas posteriores mostraron que las propiedades mecánicas de las fibras dentro de los chalecos comenzaron a deteriorarse después de unos meses de uso normal. Los nuevos chalecos fueron finalmente retirados del mercado por completo y el fabricante fue demandado por el Departamento de Justicia (DOJ).

El DOJ reclutó al NIST para ayudar a evaluar el problema y determinar por qué estos chalecos estaban fallando. Como laboratorio de medición de la nación, Los investigadores del NIST están especialmente capacitados para desarrollar formas de caracterizar tanto las fibras como su eventual deterioro.

"Las fibras en estas aplicaciones balísticas no pueden fallar [en el campo], período, "dijo Gale Holmes, ingeniero de investigación de materiales en NIST. "Pero anteriormente, no teníamos forma de saber si iban cambiando con el tiempo a medida que las personas los usaban y usaban ".

Las propiedades mecánicas ideales para estos chalecos y otros equipos incluyen una combinación de alta rigidez, gran resistencia a la tracción, y una gran tensión hasta el fallo para absorber el impacto de la bala. El trabajo inicial de Holmes reveló que las arrugas y pliegues naturales que normalmente encontraría un chaleco durante su uso condujeron a una degradación significativa de estas propiedades mecánicas críticas. especialmente en ambientes húmedos.

Si bien la degradación de las propiedades mecánicas era evidente, lo que faltaba era una técnica analítica para caracterizar las diferencias estructurales o químicas en las fibras que explicarían su pérdida de rendimiento. Aunque no existe ningún material que pueda ser completamente "a prueba de balas" en todas las circunstancias, los investigadores querían una forma de caracterizar los materiales por su capacidad variable para mitigar el impacto de una bala, especialmente después del uso en el campo.

El método de caracterización seleccionado por Holmes y Christopher Soles en NIST hizo uso de una instalación de haz de positrones intenso en el Reactor Nuclear PULSTAR de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

La técnica de espectroscopia de por vida de aniquilación de positrones (PALS) proporciona una vista a nivel molecular de la estructura de los materiales. Se ha utilizado para probar materiales en otros sectores, incluyendo membranas porosas y aislantes semiconductores. Por este trabajo, Los positrones se inyectaron en fibras balísticas y permitieron a los investigadores determinar si se creaban huecos durante el plegado en una escala de menos de 5 nanómetros.

Usando PALS, Holmes y Soles descubrieron que los niveles de vacíos son indicadores muy sensibles del daño sufrido por las fibras después del plegado; una mayor población de huecos significa una mayor probabilidad de falla de la fibra. El equipo sospechaba previamente que la creación de vacíos era un componente crítico de la degradación mecánica, pero las medidas de dispersión de rayos X de ángulo pequeño que se habían utilizado en el pasado tendían a ser menos sensibles a los huecos menores de 5 nanómetros y demostraron no ser concluyentes. El daño crítico estaba ocurriendo en escalas de longitud mucho más finas.

"Nos permitió caracterizar cambios en las fibras que no se pueden ver con otras técnicas, ", Dijo Holmes." Durante nuestra investigación, nos sorprendió lo sensible que era la técnica ".

"Antes, no teníamos una buena manera de discriminar por qué algunos materiales se rompieron durante las pruebas de plegado y otros no, ", dijo Soles." Esta es la primera herramienta de caracterización de materiales que da una idea de por qué algunos materiales se pueden plegar y aún así mantener su resistencia ".

Los resultados pueden actuar como una pista de diseño para aquellos que deseen desarrollar nuevas alternativas a la armadura corporal actual. También puede ayudar a ajustar la cantidad de fibras que se prescriben actualmente para estos productos. haciendo chalecos más cómodos.