O Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA está trabalhando no desenvolvimento de novos materiais cerâmicos leves que resistem à fratura, e se uniu a pesquisadores da Universidade da Flórida para entender melhor exatamente como esses materiais, que são adequados para proteção pessoal de soldados e sistemas do Exército, fratura, e como eles podem ser melhorados. Eles estão se concentrando no fracasso por meio de rachaduras; o material eventualmente se desintegra em um estado granular por meio de um processo chamado de cominuição.

"Embora vários materiais cerâmicos possuam alta dureza, eles falham facilmente quando separados. Isso é, quando submetido a forças de tração. A quantidade de tensão que esses materiais podem suportar antes da falha, é uma pequena fração da compressão que eles podem suportar. Como resultado, o impacto de alta velocidade de balas e fragmentos causa rachaduras extensas e fragmentação do material, reduzindo sua capacidade de utilizar totalmente sua dureza superior para resistir a estados de tensão complexos gerados pelo evento de impacto, "explicou o Dr. Sikhanda Satapathy, do Departamento de Ciências de Proteção de Soldados da ARL.

Tradicionalmente, a relação entre a capacidade do material granular de resistir à compressão e sua capacidade de resistir à deformação por cisalhamento, que faz com que o material mude de forma foi descrito pelo modelo de Mohr-Coulomb. Este modelo aproxima a resistência do material à deformação por cisalhamento (resistência ao cisalhamento) como uma função linear da pressão aplicada. Na realidade, a resistência ao cisalhamento não aumenta linearmente com a pressão e saturará em altas pressões.

Os pesquisadores da UF desenvolveram um novo modelo que descreve a resposta do material granular com mais precisão, estudando o estado de tensão em que uma variedade de cerâmicas falham, conforme relatado na literatura por várias equipes de pesquisa.

A equipe de ARL e UF colaboraram para empregar este modelo de resposta granular aprimorado em conjunto com uma estrutura de modelagem de expansão de cavidade dinâmica para capturar a resposta da cerâmica ao estado de estresse induzido por impacto complexo que inclui compressão, tensão e cisalhamento. A estrutura de modelagem de expansão de cavidade dinâmica usa a pressão necessária para expandir uma cavidade em um material intacto para caracterizar sua capacidade de resistir à penetração profunda. Esta pressão, claro, depende de como o material responde à compressão, tensão e forças de cisalhamento. Devido à aplicabilidade deste novo modelo a uma ampla classe de cerâmicas, a necessidade de experimentos caros para caracterizar a resposta à penetração é significativamente reduzida. O novo modelo de penetração melhora a compreensão de como a cerâmica frágil responde à alta tensão de impacto por fraturamento e trituração em material semelhante a granular, e aumenta a capacidade de modelagem de eventos de penetração.

O modelo aprimorado demonstrou prever melhor a resistência de uma ampla gama de alvos de cerâmica quando atingidos por projéteis de haste longa em velocidades de até 3km / s. Os parâmetros importantes do material para o desempenho de penetração de um alvo de cerâmica foram identificados por meio deste esforço colaborativo, que irá orientar como os processos de falha em cerâmica podem ser controlados por meio de design de material aprimorado ou por meio de uma abordagem de sistemas multimateriais.

"Compreender a mecânica da resposta do material às condições de estresse gerado pelo impacto do projétil é crucial nesta pesquisa, "Disse Satapathy. A pesquisa aparecerá no Jornal Internacional de Sólidos e Estruturas .