Полимерные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками используются в баллистике более 40 лет. Традиционно эти волокна сплетаются в ткань, а затем накладываются слоями 15-20 раз, чтобы получить жилет толщиной примерно от 6 до 13 миллиметров (от четверти до половины дюйма). Несмотря на то, что они эффективны для остановки или замедления пули, пользователи иногда находили эти жилеты, которые носят либо под одеждой, либо поверх нее, тяжелыми и громоздкими — сродни ношению от 15 до 20 рубашек одновременно в жаркий летний день. Многие хотели бы более удобную альтернативу.
Испытания мягких бронежилетов вызвали серьезную озабоченность, потому что применение нового типа волокна, которое, как считается, превосходило предыдущий материал, неожиданно провалилось в 2003 году, что привело к смерти полицейского. В результате этого и других инцидентов в 2005 году были отозваны некоторые жилеты, сделанные из нового материала.
Хотя эксплуатационные характеристики этих жилетов были превосходными, когда они были свежими из коробки и в первозданном состоянии, испытания позже показали, что механические свойства волокон внутри жилетов начали ухудшаться после нескольких месяцев нормального ношения. Новые жилеты были в конечном итоге полностью сняты с рынка, и Министерство юстиции (DOJ) подало на производителя в суд.Министерство юстиции привлекло NIST, чтобы помочь оценить проблему и определить, почему эти жилеты вышли из строя. Как национальная измерительная лаборатория, исследователи NIST обладают особой квалификацией для разработки способов определения характеристик как волокон, так и их возможного износа.
«Волокна в этих баллистических приложениях не могут выйти из строя [в полевых условиях]», — сказал Гейл Холмс, инженер по исследованиям материалов в NIST. «Но раньше у нас не было возможности узнать, меняются ли они со временем, когда люди их носят и используют».Идеальные механические свойства этих жилетов и другого снаряжения включают сочетание высокой жесткости, большой прочности на разрыв и значительного деформации до разрушения для поглощения удара пули. Первоначальная работа Холмса показала, что естественные складки и складки, с которыми жилет обычно сталкивается при использовании, приводят к значительному ухудшению этих критических механических свойств, особенно во влажной среде.Хотя ухудшение механических свойств было самоочевидным, не хватало аналитического метода для характеристики структурных или химических различий в волокнах, которые могли бы объяснить их потерю рабочих характеристик.
Хотя не существует материала, который мог бы быть полностью «пуленепробиваемым» в любых обстоятельствах, исследователи действительно хотели найти способ охарактеризовать материалы по их различной способности смягчать удар пули, особенно после использования в полевых условиях.В методе определения характеристик, выбранном Холмсом и Кристофером Соулзом из NIST, использовалась установка с интенсивным пучком позитронов на ядерном реакторе PULSTAR государственного университета Северной Каролины.Метод спектроскопии времени жизни аннигиляции позитронов (PALS) позволяет получить представление о структуре материалов на молекулярном уровне.
Он использовался для тестирования материалов в других секторах, включая пористые мембраны и полупроводниковые изоляторы. Для этой работы позитроны были введены в баллистические волокна и позволили исследователям определить, возникли ли какие-либо пустоты во время складывания в масштабе менее 5 нанометров.Используя PALS, Холмс и Солс обнаружили, что уровни пустот — очень чувствительные индикаторы повреждения волокон после складывания; Чем больше количество пустот, тем выше вероятность отказа волокна. Команда ранее подозревала, что образование пустот является критическим компонентом механической деградации, но измерения малоуглового рассеяния рентгеновских лучей, которые использовались в прошлом, имели тенденцию быть менее чувствительными к пустотам размером менее 5 нанометров и оказались безрезультатными.
Критическое повреждение происходило на гораздо более мелких масштабах длины.«Это позволило нам охарактеризовать изменения в волокнах, которые нельзя увидеть с помощью других методов», — сказал Холмс. «Во время нашего исследования мы были удивлены тем, насколько чувствительной была эта техника».
«Раньше у нас не было действительно хорошего способа различить, почему одни материалы ломались во время испытаний на складывание, а другие — нет», — сказал Солс. «Это первый инструмент для определения характеристик материалов, который дает представление о том, почему некоторые материалы можно складывать и при этом сохранять свою прочность».Результаты могут послужить ориентиром для тех, кто хочет разработать новые альтернативы существующим бронежилетам.
Это также может помочь точно отрегулировать количество волокон, предписываемых в настоящее время для этих продуктов, что сделает жилетки более удобными.