Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram uma nova maneira de investigar as fibras de alto desempenho usadas nas armaduras corporais modernas. Descrito no Journal of Polymer Science , a pesquisa pode ajudar a aumentar a confiança no vestuário que protege as unidades militares, departamentos de polícia e figuras públicas de tiros. Também pode levar ao desenvolvimento de novos, materiais mais leves para armaduras corporais no futuro.

As fibras poliméricas de alto desempenho têm sido usadas em aplicações balísticas há mais de 40 anos. Tradicionalmente, essas fibras são entrelaçadas em um tecido e depois colocadas em camadas de 15 a 20 vezes para fazer um colete com uma espessura de cerca de 6 a 13 milímetros (um quarto a meia polegada). Embora eficaz para parar ou desacelerar os marcadores, os usuários às vezes encontram esses coletes, que são usados ​​por baixo ou por cima da roupa, ser pesado e volumoso - semelhante a usar de 15 a 20 camisetas ao mesmo tempo em um dia quente de verão. Muitos gostariam de uma alternativa mais confortável.

O teste de coletes à prova de balas tem sido uma grande preocupação porque a implantação de um novo tipo de fibra - considerada superior ao material anterior - falhou inesperadamente em 2003, resultando na morte de um policial. Esse e outros incidentes levaram a um recall em 2005 de alguns dos coletes feitos com o novo material.

Embora o desempenho desses coletes fosse superior quando recém saídos da caixa e em perfeitas condições, testes posteriores mostraram que as propriedades mecânicas das fibras dentro dos coletes começaram a se deteriorar após alguns meses de uso normal. Os novos coletes foram finalmente retirados do mercado e o fabricante foi processado pelo Departamento de Justiça (DOJ).

O DOJ contratou o NIST para ajudar a avaliar o problema e determinar por que esses coletes estavam falhando. Como o laboratório de medição do país, Os pesquisadores do NIST são especialmente qualificados para desenvolver maneiras de caracterizar as fibras e sua eventual deterioração.

"As fibras nessas aplicações balísticas não podem falhar [no campo], período, "disse Gale Holmes, um engenheiro de pesquisa de materiais no NIST. "Mas antes, não tínhamos como saber se eles estavam mudando com o tempo, à medida que as pessoas os vestiam e usavam. "

As propriedades mecânicas ideais para esses coletes e outras engrenagens incluem uma combinação de alta rigidez, grande resistência à tração, e uma tensão significativa até a falha para absorver o impacto da bala. O trabalho inicial de Holmes revelou que as dobras e vincos naturais que um colete normalmente encontraria durante o uso levaram a uma degradação significativa dessas propriedades mecânicas críticas, especialmente em ambientes úmidos.

Embora a degradação nas propriedades mecânicas fosse evidente, o que faltava era uma técnica analítica para caracterizar as diferenças estruturais ou químicas nas fibras que explicariam sua perda de desempenho. Embora não haja nenhum material que possa ser completamente "à prova de balas" em todas as circunstâncias, os pesquisadores queriam uma maneira de caracterizar os materiais por sua capacidade variável de mitigar o impacto de uma bala, especialmente após o uso em campo.

O método de caracterização selecionado por Holmes e Christopher Soles no NIST fez uso de uma instalação de feixe de pósitrons intenso no Reator Nuclear PULSTAR da North Carolina State University.

A técnica de espectroscopia de aniquilação de pósitrons (PALS) fornece uma visão em nível molecular da estrutura dos materiais. Tem sido usado para testar materiais em outros setores, incluindo membranas porosas e isoladores semicondutores. Para este trabalho, pósitrons foram injetados em fibras balísticas e permitiram aos pesquisadores determinar se algum vazio foi criado durante o dobramento em uma escala de menos de 5 nanômetros.

Usando PALS, Holmes e Soles descobriram que os níveis de vazio são indicadores muito sensíveis de danos sofridos pelas fibras após o dobramento; uma população maior de vazios significa uma melhor chance de falha da fibra. A equipe já suspeitava que a criação de vazio era um componente crítico da degradação mecânica, mas as medições de espalhamento de raios-X de pequeno ângulo que tinham sido usadas no passado tendiam a ser menos sensíveis a vazios menores que 5 nanômetros e provaram ser inconclusivas. O dano crítico estava ocorrendo em escalas de comprimento muito mais finas.

"Isso nos permitiu caracterizar mudanças nas fibras que você não pode ver com outras técnicas, "Holmes disse." Ficamos surpresos durante nossa pesquisa com a sensibilidade da técnica. "

"Antes, não tínhamos uma maneira muito boa de discriminar por que alguns materiais quebraram durante os testes de dobra e outros não, "disse Soles." Esta é a primeira ferramenta de caracterização de materiais que dá uma ideia de por que alguns materiais podem ser dobrados e ainda assim manter sua resistência. "

Os resultados podem atuar como uma dica de design para aqueles que desejam desenvolver novas alternativas para a armadura corporal atual. Também pode ajudar a ajustar a quantidade de fibras atualmente prescritas para esses produtos, fazendo coletes mais confortáveis.