Fournir une protection contre les impacts de balles et autres projectiles à grande vitesse est plus qu'une simple question de force brute. Alors que les boucliers traditionnels ont été faits de matériaux volumineux tels que l'acier, Les gilets pare-balles plus récents faits de matériaux légers tels que le Kevlar ont montré que l'épaisseur et le poids ne sont pas nécessaires pour absorber l'énergie des impacts. Maintenant, une nouvelle étude menée par des chercheurs du MIT et de l'Université Rice a montré que même des matériaux plus légers peuvent être capables de faire le travail tout aussi efficacement.

La clé est d'utiliser des composites constitués de deux ou plusieurs matériaux dont la rigidité et la flexibilité sont structurées de manière très spécifique, comme par exemple en couches alternées de quelques nanomètres d'épaisseur. L'équipe de recherche a produit des projectiles miniatures à grande vitesse et mesuré les effets qu'ils avaient sur le matériau absorbant les chocs.

Les résultats de la recherche sont publiés dans la revue Communication Nature , dans un article co-écrit par l'ancien postdoctorant Jae-Hwang Lee, maintenant chercheur à Rice; post-doctorant Markus Retsch; étudiant diplômé Jonathan Singer; Edwin Thomas, un ancien professeur du MIT qui est maintenant à Rice; étudiant diplômé David Veysset; ancien étudiant diplômé Gagan Saini; ancien post-doctorant Thomas Pezeril, maintenant membre du corps professoral de l'Université du Maine, au Mans, La France; et le professeur de chimie Keith Nelson. Le travail expérimental a été mené à l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT.

L'équipe a développé un polymère auto-assemblant avec une structure de gâteau en couches :couches caoutchouteuses, qui assurent la résilience, alternant avec des couches vitreuses, qui donnent de la force. Ils ont ensuite développé une méthode pour projeter des billes de verre sur le matériau à grande vitesse en utilisant une impulsion laser pour évaporer rapidement une couche de matériau juste sous sa surface. Bien que les billes soient minuscules - seulement des millionièmes de mètre de diamètre - elles étaient encore des centaines de fois plus grosses que les couches de polymère qu'elles impactaient :assez grosses pour simuler les impacts d'objets plus gros, comme des balles, mais suffisamment petit pour que les effets des impacts puissent être étudiés en détail à l'aide d'un microscope électronique.

Voir les couches

Les composites polymères structurés ont déjà été testés pour d'éventuelles applications de protection contre les chocs. Mais personne n'avait trouvé le moyen d'étudier exactement leur fonctionnement. Il n'y avait donc aucun moyen de rechercher systématiquement de meilleures combinaisons de matériaux.

Les nouvelles techniques développées par les chercheurs du MIT et de Rice pourraient fournir une telle méthode. Leurs travaux pourraient accélérer les progrès sur les matériaux pour des applications dans les gilets pare-balles et les blindages de véhicules; blindage pour protéger les satellites des impacts de micrométéorites ; et des revêtements pour aubes de turbines de moteurs à réaction pour les protéger des impacts à grande vitesse de particules de sable ou de glace.

Les méthodes développées par l'équipe pour produire des impacts à grande vitesse à l'échelle du laboratoire, et pour mesurer les effets des impacts de manière précise, "peut être un outil quantitatif extrêmement utile pour le développement de nanomatériaux protecteurs, " dit Lee, l'auteur principal de l'article, qui a fait une grande partie de cette recherche alors qu'il était au Département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT. "Notre travail présente des informations précieuses pour comprendre la contribution" de la structure nanométrique à la façon dont ces matériaux absorbent un impact, il dit.

Parce que le matériau en couches a une telle prévisibilité, structure ordonnée, les effets des impacts sont facilement quantifiables en observant les distorsions en section transversale. "Si vous voulez tester le comportement des systèmes ordonnés, " Le chanteur dit, "c'est la structure parfaite pour les tests."

Quelle direction fonctionne le mieux

L'équipe a découvert que lorsque les projectiles frappaient les couches de front, ils ont absorbé l'impact 30 pour cent plus efficacement que dans un impact de bord. Ces informations peuvent avoir une pertinence immédiate pour la conception de matériaux de protection améliorés.

Nelson a passé des années à développer des techniques qui utilisent des impulsions laser pour observer et quantifier les ondes de choc à l'échelle nanométrique, des techniques qui ont été adaptées pour cette recherche avec l'aide de Lee, Veysset et les autres membres de l'équipe. Idéalement, dans les recherches futures, l'équipe espère pouvoir observer le passage des projectiles en temps réel afin de mieux comprendre l'enchaînement des événements au fur et à mesure que le matériau impacté subit des déformations et des dommages, dit Nelson.

En outre, maintenant que la méthode expérimentale a été développée, les chercheurs aimeraient étudier différents matériaux et structures pour voir comment ceux-ci réagissent aux impacts, Nelson dit :varier la composition et l'épaisseur des couches, ou en utilisant des structures différentes.

Donald Shockey, directeur du Center for Fracture Physics à SRI International, un institut de recherche à but non lucratif à Menlo Park, Californie, dit, "C'est une approche nouvelle et utile qui fournira la compréhension nécessaire des mécanismes régissant la façon dont un projectile pénètre dans les gilets de protection et les casques." Il ajoute que ces résultats "fournissent les données nécessaires pour développer et valider des modèles informatiques" pour prédire le comportement des matériaux de protection contre les chocs et développer de nouveaux, matériaux améliorés.

"La clé pour développer des matériaux avec une meilleure résistance aux chocs est de comprendre le comportement de déformation et de défaillance à la pointe d'un projectile en marche, ", dit Shockey. "Nous devons être en mesure de voir cela."

Le travail a été soutenu par le US Army Research Office.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.