Como os materiais à prova de balas provam sua importância no campo de batalha uma vez na batalha em andamento entre a Ucrânia e a Rússia, um grupo de cientistas forjou um material feito de nanotubos, que supera o Kevlar e o aço com suas propriedades químicas únicas.
Ao trabalhar em materiais à prova de balas, os pesquisadores consideram o peso do material como um assunto-chave para manter as unidades blindadas móveis, mantendo-as seguras.
Uma equipe de engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison forjou um novo material de blindagem ultraleve chamado “tapete de nanofibra”.
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A nova forma é baseada em minúsculos cilindros de carbono que têm a mesma espessura de um único átomo. Esse novo material, chamado nanotubos de carbono, mostrou-se promissor como material de próxima geração em vários campos, como na luta contra as mudanças climáticas ou no salvamento de vidas.
Como é feito o tapete de nanofibra
Os autores do estudo usaram nanotubos de carbono de paredes múltiplas e os combinaram com nanofibras de Kevlar para criar um novo material à prova de balas. Nanotubos de carbono foram usados no estudo, pois demonstraram propriedades de absorção de impacto em pesquisas anteriores.
“Os materiais nanofibrosos são muito atraentes para aplicações de proteção porque as fibras em nanoescala têm excelente resistência, tenacidade e rigidez em comparação com as fibras de macroescala”, diz Ramathasan Thevamaran, professor assistente de engenharia física da UW-Madison, que liderou a pesquisa. “Os tapetes de nanotubos de carbono mostraram a melhor absorção de energia até agora e queríamos ver se poderíamos melhorar ainda mais seu desempenho.”
Ao descobrir as propriedades de absorção dos nanotubos de carbono, a equipe de cientistas se voltou para a química. Incorporando a proporção certa de nanofibras de Kevlar e “mantas de nanofibras” compostas de nanotubos de carbono, eles conseguiram produzir ligações de hidrogênio entre as fibras, o que resultou em um salto dramático no desempenho.
“A ligação de hidrogênio é uma ligação dinâmica, o que significa que ela pode se quebrar e se formar novamente continuamente, permitindo que ela dissipe uma grande quantidade de energia por meio desse processo dinâmico”, disse Thevamaran. “Além disso, as ligações de hidrogênio conferem mais rigidez a essa interação, o que fortalece e enrijece o tapete de nanofibras. Quando modificamos as interações interfaciais em nossos tapetes adicionando nanofibras de Kevlar, conseguimos alcançar quase 100% de melhoria no desempenho de dissipação de energia em certas velocidades de impacto supersônicas.”
O novo material foi testado com um sistema de teste de impacto de microprojéteis, que lança microbalas em velocidades variadas nos materiais. Os resultados dos testes mostraram que o novo material é mais protetor contra impactos de alta velocidade do que Kevlar ou chapas de aço.
Os pesquisadores estimam que o material tem o potencial de permitir que a espaçonave absorva impactos de detritos espaciais de alta velocidade.
Alcançar um desempenho dinâmico extremo em materiais nanofibrosos requer a exploração sinérgica das propriedades intrínsecas das nanofibras e interações interfibras. Independentemente da rigidez e resistência intrínsecas superiores dos nanotubos de carbono (CNTs), a natureza fraca das interações de van der Waals limita os tapetes de CNT de alcançar um desempenho maior. Apresentamos uma abordagem eficiente para aumentar as interações entre fibras introduzindo ligações de nanofibra de aramida (ANF) entre CNTs, que formam ligações de hidrogênio interfaciais mais fortes e reconfiguráveis e interações de empilhamento, levando a uma melhoria de desempenho sinérgico com retardo de falha. Sob impactos supersônicos, interações reforçadas em tapetes de CNT aumentam sua absorção de energia específica em até 3,6 MJ/kg, o que supera os materiais de proteção à base de fibra de Kevlar amplamente utilizados. As distintas escalas de tempo de resposta da quebra e reforma da ligação de hidrogênio em deformações de taxa de deformação ultra-alta (~107 a 108 s-1) manifestam adicionalmente um aprimoramento de desempenho dinâmico dependente da taxa de deformação. Nossas descobertas mostram o potencial das esteiras de nanofibra aumentadas com ligações dinâmicas interfaciais – como as ligações de hidrogênio – como materiais estruturais de baixa densidade com propriedades específicas superiores e estabilidade em alta temperatura para aplicações de engenharia extremas.
Publicado em 03/03/2022 22h10
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