Os pesquisadores do Exército e do MIT desenvolveram um dispositivo experimental único para testar melhor a durabilidade de materiais poliméricos robustos e de alto desempenho que parecem se fortalecer sob ataques de impacto rápido.

Dr. Alex Hsieh do Laboratório de Pesquisa do Exército, junto com o Prof. Keith A. Nelson, Dr. David Veysset e Dr. Steven Kooi, do Instituto de Nanotecnologia de Soldados do MIT, descobriram que quando os alvos feitos de elastômeros de poli (uretano ureia) ou PUUs são impactados em alta velocidade por micropartículas feitas de sílica, o alvo PUU mostra um comportamento hiperelástico. Isso é, eles se tornam extremamente rígidos quando deformados em taxas de deformação da ordem de 108 / s? o que significa aproximadamente que o material do alvo se deforma até a metade de sua espessura original em um tempo extremamente curto igual a um segundo dividido por cem milhões. PUUs também se recuperam após o impacto, disse Hsieh.

O dispositivo de teste usa um laser pulsado para disparar balas do tamanho de um micrômetro em alvos feitos de PUUs. Pesquisadores descobriram, pela primeira vez, "comportamentos que contrastam muito com a resposta ao impacto observada em um elastômero de polidimetilsiloxano reticulado onde micropartículas penetraram no alvo e o material alvo não se recuperou ou se recuperou completamente."

Os cientistas dizem que sua descoberta em elastômeros a granel pode ajudar a projetar materiais de matriz para compósitos para a futura geração de capacetes de combate do Exército dos EUA. O capacete de combate aprimorado do Exército usa polietileno de peso molecular ultra alto de alto desempenho ou compósitos à base de fibras UHMWPE. Essas fibras têm alta resistência à ruptura, por unidade de área de seção transversal, cerca de quinze vezes mais forte que o aço, mas são flexíveis como os tecidos.

Os designs de materiais de armadura tradicionais incluem cerâmica, metais e compostos leves reforçados com fibra para proteção de soldados e veículos, que são tipicamente baseados na rigidez? a resistência de um material contra a deformação? e resistência? a capacidade de absorver energia e deformar plasticamente antes da fratura.

Mas da perspectiva da ciência dos materiais, essas métricas de massa padrão por si só não são suficientes para quantificar o quão rápido as moléculas em um sólido de polímero podem alterar sua mobilidade em relação à taxa de deformação, nem a propensão para uma mudança de seu respectivo estado físico durante a deformação dinâmica? isto é, os elastômeros poderiam mudar de semelhantes a borracha para semelhantes a vidro quando eles são deformados em taxas cada vez mais altas?

Hsieh disse que a equipe se concentrava em polímeros, que são constituídos por um grande número de pequenas unidades moleculares que são enfileiradas para formar cadeias muito longas, que podem ser bem organizados ou embalados aleatoriamente. Especificamente, materiais poliméricos que são fortes como óculos de segurança resistentes ao impacto ou flexíveis como borrachas. Elastômeros são uma classe de borrachas sintéticas, que pode ser sintetizado a partir de uma ampla gama de químicas de polímero. "Eles geralmente têm baixo módulo de Young, o que significa baixa resistência à deformação elástica sob carga em condições ambientais, e maior tensão de falha? a capacidade de sustentar uma quantidade significativamente maior de esforço antes da falha? do que a maioria dos materiais plásticos, " ele explicou.

Para validar ainda mais a influência molecular, a equipe conduziu estudos abrangentes sobre PUUs junto com um policarbonato vítreo. Embora o policarbonato seja conhecido por sua alta resistência à fratura e resistência balística, esses PUUs, independentemente de sua respectiva composição, exibiu maior enrijecimento dinâmico durante o impacto em taxas de deformação da ordem de 108 / s. Além disso, a resistência contra a penetração da micropartícula pode ser otimizada, isto é, uma redução de ~ 50% na profundidade média máxima de penetração foi alcançada simplesmente variando a composição molecular de PUUs.

"Isso é muito emocionante." disse o Dr. Hsieh "Ver para crer. Um novo entendimento a partir dessas descobertas de pesquisa - a essência do fenômeno hiperelástico em elastômeros em massa, particularmente no momento da interação alvo / impulso - aponta fortemente para ser um caminho plausível chave para manipular a física de falha e para um novo paradigma de design para materiais robustos. "

Os PUUs são conhecidos por terem microestrutura complexa junto com uma ampla gama de tempos de relaxamento - as características que são usadas para refletir a eficiência como as moléculas nas cadeias de polímero respondem a um impulso externo. Especificamente, para moléculas de PUUs com tempos de relaxamento mais longos da ordem de microssegundos em condições ambientais, por exemplo., dinâmica mais lenta, permitindo o enrijecimento dinâmico, enquanto aqueles com tempos de relaxamento de nanossegundos em condições ambientais foram capazes de fornecer absorção de energia adicional para o fortalecimento dinâmico. Essas características viscoelásticas mostram que os elastômeros, bem como outros materiais poliméricos, podem deformar-se de maneiras diferentes dependendo da velocidade com que está sendo deformado.

A equipe formulou a hipótese de que um mecanismo cooperativo de relaxamento molecular? semelhante a um fenômeno de ressonância de movimentos moleculares "semelhantes à cota de malha", cada um oscilando em frequências específicas para dissipar a energia absorvida. Estas características dinâmicas de fortalecimento e enrijecimento podem ser provavelmente facilitadas pela ligação de hidrogênio intermolecular presente em toda a rede reticulada fisicamente em PUUs. Em contraste, o relaxamento de microssegundo em condições ambientais não está presente no policarbonato, nem as ligações de hidrogênio e o mecanismo molecular de ativação correspondente estão disponíveis no policarbonato, apesar de sua dureza e resistência ao impacto. Assim, PUUs ou elastômeros de alto desempenho com vários tempos de relaxamento são muito desejados e essenciais para permitir tanto o fortalecimento dinâmico quanto o enrijecimento dinâmico ao longo da escala temporal de microssegundos a nanossegundos.

Essas observações únicas foram elaboradas em um artigo publicado recentemente em Polímero , 123 (2017) 30-38.

Enquanto isso, materiais como poliuretano, semelhante ao PUU, já que os elastômeros da matriz tiveram um melhor desempenho contra a deformação da face posterior encontrada em compósitos UHMWPE leves. Isso é essencialmente a deformação do material dentro dos capacetes de combate que transferem grandes forças para o crânio e causam trauma de impacto contuso. PUUs, poliuretanos e elastômeros semelhantes, Hsieh disse, que exibem reforço dinâmico em deformações de alta taxa e reduzem significativamente a deformação do capacete sob impacto, para integração com fibras de última geração, pode ser de grande benefício para futuros capacetes de combate.

Além de capacetes de combate, outras aplicações potenciais de elastômeros robustos de alto desempenho para proteção de soldados incluem, mas não estão limitadas a proteções faciais transparentes, protetores faciais de mandíbula, coletes balísticos, equipamento de proteção de extremidades, e botas de combate resistentes a explosões.

Prevê-se também que esta descoberta de pesquisa sobre o fenômeno hiperelástico de PUUs, particularmente no momento do impacto de alta velocidade, também cruza em domínios previsíveis, como proteção de jogadores de futebol profissional e jovens atletas contra concussões ou quaisquer outras lesões cerebrais causadas por colisões. Do ponto de vista do design de materiais, elastômeros robustos de alto desempenho podem ser utilizados como as camadas mais externas do capacete ou simplesmente para substituir o casco de policarbonato, disse Hsieh.