De acordo com a tradição antiga, Genghis Khan instruiu seus cavaleiros a usar coletes de seda por baixo da armadura para melhor se proteger contra um ataque de flechas durante a batalha. Desde a época de Khan, A armadura corporal evoluiu significativamente - a seda deu lugar a materiais ultra-duros que agem como paredes impenetráveis ​​contra a maioria das munições. Contudo, mesmo esta armadura pode falhar, particularmente se for atingido por munição de alta velocidade ou outros objetos em movimento rápido.

Pesquisadores da Texas A&M University formularam uma nova receita que pode prevenir os pontos fracos da armadura moderna. Ao adicionar uma pequena quantidade do elemento silício ao carboneto de boro, um material comumente usado para fazer armaduras corporais, eles descobriram que equipamentos resistentes a balas poderiam se tornar substancialmente mais resistentes a impactos de alta velocidade.

"Nos últimos 12 anos, pesquisadores têm procurado maneiras de reduzir os danos causados ​​pelo impacto de balas de alta velocidade na armadura feita com carboneto de boro, "disse o Dr. Kelvin Xie, professor assistente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. "Nosso trabalho finalmente aborda essa necessidade não atendida e é um passo à frente no projeto de armadura corporal superior que protegerá contra armas de fogo ainda mais poderosas durante o combate."

Este estudo foi publicado na edição de outubro da revista. Avanços da Ciência .

Carboneto de boro, apelidado de "diamante negro, "é um material feito pelo homem, que ocupa o segundo lugar abaixo de outro material sintético chamado nitreto de boro cúbico para dureza. Ao contrário do nitreto de boro cúbico, Contudo, o carboneto de boro é mais fácil de produzir em grande escala. Também, o carboneto de boro é mais duro e mais leve do que outros materiais de armadura, como o carboneto de silício, tornando-o uma escolha ideal para equipamentos de proteção, particularmente coletes balísticos.

Apesar das muitas qualidades desejáveis ​​do carboneto de boro, sua principal deficiência é que ele pode danificar muito rapidamente com um impacto de alta velocidade.

"O carboneto de boro é realmente bom para parar balas que viajam abaixo de 900 metros por segundo, e assim ele pode bloquear as balas da maioria das armas de mão de forma bastante eficaz, "disse Xie." Mas acima dessa velocidade crítica, carboneto de boro repentinamente perde seu desempenho balístico e não é tão eficaz. "

Os cientistas sabem que os solavancos de alta velocidade fazem com que o carboneto de boro tenha transformações de fase - um fenômeno em que um material muda sua estrutura interna de tal forma que fica em dois ou mais estados físicos, como líquido e sólido, ao mesmo tempo. O impacto da bala, portanto, converte o carboneto de boro de um estado cristalino, onde os átomos são sistematicamente ordenados, para um estado semelhante ao de vidro, onde os átomos estão dispostos ao acaso. Este estado semelhante ao vidro enfraquece a integridade do material no local de contato entre a bala e o carboneto de boro.

"Quando o carboneto de boro passa por uma transformação de fase, a fase vítrea cria uma estrada para as rachaduras se propagarem, "disse Xie." Então, qualquer dano local causado pelo impacto de uma bala viaja facilmente por todo o material e causa progressivamente mais danos. "

Trabalhos anteriores usando simulações de computador previram que adicionar uma pequena quantidade de outro elemento, como o silício, tinha o potencial de tornar o carboneto de boro menos frágil. Xie e seu grupo investigaram se a adição de uma pequena quantidade de silício também reduzia a transformação de fase.

Para simular o impacto inicial de uma bala de alta velocidade, os pesquisadores fizeram dentes bem controlados em amostras de carboneto de boro com uma ponta de diamante, cuja largura é menor que um fio de cabelo humano. Então, sob um microscópio eletrônico de alta potência, eles olharam para o dano microscópico que se formou com os golpes.

Xie e seus colaboradores descobriram que mesmo com pequenas quantidades de silício, a extensão da transformação de fase caiu 30%, reduzindo visivelmente o dano da indentação.

Embora o silício sirva bem para melhorar as propriedades do carboneto de boro, Xie explicou que mais experimentos precisam ser feitos para saber se outros elementos, como lítio e alumínio, também pode melhorar o desempenho do carboneto de boro.

No futuro próximo, Xie prevê que esses primos mais fortes do carboneto de boro puro encontrarão outras aplicações não militares. Um desses usos é em escudos nucleares. Ele disse que usar um toque de silício em carboneto de boro altera o espaçamento entre os átomos e os espaços vazios criados podem ser bons locais para absorver a radiação prejudicial dos reatores nucleares.

"Just as in cooking where a small sprinkle of spices can greatly boost flavor, by using a small amount of silicon we can dramatically improve the properties of boron carbide and consequently find novel applications for these ultrahard materials, " Xie said.