Feuilles de nanofibres de para-aramide sur des feuilles de Twaron® après essai de projectile de simulation de fragments. Crédit :Grant Gonzalez/Harvard SEAS
Depuis la Première Guerre mondiale, la grande majorité des pertes de combat américaines ne sont pas dues à des blessures par balle mais à des explosions. Aujourd'hui, la plupart des soldats portent un lourd, gilet pare-balles pour protéger leur torse, mais une grande partie de leur corps reste exposée à la visée aveugle de fragments d'explosifs et d'éclats d'obus.
Concevoir des équipements pour protéger les extrémités contre les températures extrêmes et les projectiles mortels qui accompagnent une explosion a été difficile en raison d'une propriété fondamentale des matériaux. Les matériaux suffisamment solides pour protéger contre les menaces balistiques ne peuvent pas protéger contre les températures extrêmes et vice versa. Par conséquent, une grande partie de l'équipement de protection d'aujourd'hui est composée de plusieurs couches de matériaux différents, conduisant à encombrant, engin lourd qui, si porté sur les bras et les jambes, limiterait considérablement la mobilité d'un soldat.
Maintenant, chercheurs de l'Université Harvard, en collaboration avec le U.S. Army Combat Capabilities Development Command Soldier Center (CCDC SC) et West Point, ont développé un poids léger, matériau nanofibre multifonctionnel qui peut protéger les porteurs des températures extrêmes et des menaces balistiques.
La recherche est publiée dans la revue Question .
"Quand j'étais au combat en Afghanistan, J'ai vu de mes propres yeux comment un gilet pare-balles pouvait sauver des vies, " a déclaré l'auteur principal Kit Parker, le professeur de la famille Tarr de bio-ingénierie et de physique appliquée à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et un lieutenant-colonel de la réserve de l'armée américaine. "J'ai aussi vu à quel point un gilet pare-balles lourd pouvait limiter la mobilité. En tant que soldats sur le champ de bataille, les trois tâches principales sont de se déplacer, tirer, et communiquer. Si vous limitez l'un d'entre eux, vous diminuez la capacité de survie et vous mettez en danger le succès de la mission."
"Notre objectif était de concevoir un matériau multifonctionnel capable de protéger une personne travaillant dans un environnement extrême, comme un astronaute, pompier ou soldat, des nombreuses menaces différentes auxquelles ils sont confrontés, " dit Grant M. Gonzalez, stagiaire postdoctoral à SEAS et premier auteur de l'article.
chercheurs de l'Université Harvard, en collaboration avec le US Army Combat Capabilities Development Command Soldier Center (CCDC SC) et West Point, ont développé un poids léger, matériau nanofibre multifonctionnel qui peut protéger les porteurs des températures extrêmes et des menaces balistiques. Crédit :Grant Gonzalez/Harvard SEAS
Pour atteindre cet objectif pratique, les chercheurs devaient explorer le compromis entre protection mécanique et isolation thermique, propriétés enracinées dans la structure moléculaire et l'orientation d'un matériau.
Matériaux à forte protection mécanique, comme les métaux et les céramiques, ont une structure moléculaire hautement ordonnée et alignée. Cette structure leur permet de résister et de répartir l'énergie d'un coup direct. Matériaux isolants, d'autre part, ont une structure beaucoup moins ordonnée, qui empêche la transmission de chaleur à travers le matériau.
Le Kevlar et le Twaron sont des produits commerciaux largement utilisés dans les équipements de protection et peuvent fournir une protection balistique ou thermique, selon la façon dont ils sont fabriqués. Kevlar tissé, par exemple, a une structure cristalline hautement alignée et est utilisé dans les gilets pare-balles de protection. Aérogels de Kevlar poreux, d'autre part, ont démontré une haute isolation thermique.
"Notre idée était d'utiliser ce polymère Kevlar pour combiner le tissé, structure ordonnée de fibres avec la porosité des aérogels pour faire long, fibres continues avec espacement poreux entre elles, " dit Gonzalez. " Dans ce système, les fibres longues pourraient résister à un impact mécanique tandis que les pores limiteraient la diffusion de la chaleur."
L'équipe de recherche a utilisé le jet rotatif à immersion (iRJS), une technique développée par Parker's Disease Biophysics Group, pour fabriquer les fibres. Dans cette technique, une solution de polymère liquide est chargée dans un réservoir et poussée à travers une petite ouverture par la force centrifuge pendant que l'appareil tourne. Lorsque la solution de polymère jaillit du réservoir, il traverse d'abord une zone de plein air, où les polymères s'allongent et les chaînes s'alignent. Ensuite, la solution frappe un bain liquide qui élimine le solvant et précipite les polymères pour former des fibres solides. Étant donné que le bain tourne également, comme de l'eau dans une essoreuse à salade, les nanofibres suivent le flux du vortex et s'enroulent autour d'un collecteur rotatif à la base de l'appareil.
En ajustant la viscosité de la solution de polymère liquide, les chercheurs ont pu filer longtemps, nanofibres alignées dans des feuilles poreuses, fournissant suffisamment d'ordre pour protéger contre les projectiles mais suffisamment de désordre pour protéger contre la chaleur. En 10 minutes environ, l'équipe pouvait faire tourner des feuilles d'environ 10 sur 30 centimètres.
Les nanofibres de para-aramide offrent une résistance mécanique avec un vide ou un espace vide qui limitent la diffusion de la chaleur Crédit :Grant Gonzalez/Harvard SEAS
Pour tester les feuilles, l'équipe de Harvard s'est tournée vers ses collaborateurs pour effectuer des tests balistiques. Chercheurs du CCDC SC à Natick, Le Massachusetts a simulé l'impact d'un éclat d'obus en tirant Projectiles de type BB sur l'échantillon. L'équipe a effectué des tests en prenant en sandwich les feuilles de nanofibres entre des feuilles de Twaron tissé. Ils ont observé peu de différence de protection entre un empilement de toutes les feuilles de Twaron tissées et un empilement combiné de Twaron tissé et de nanofibres filées.
« Les capacités du CCDC SC nous permettent de quantifier les succès de nos fibres du point de vue des équipements de protection pour les combattants, Plus précisément, ", a déclaré Gonzalez.
"Collaborations académiques, en particulier ceux avec des universités locales distinguées telles que Harvard, fournir au CCDC SC l'opportunité de tirer parti de l'expertise et des installations de pointe pour augmenter nos propres capacités de R&D, " a déclaré Kathleen Swana, chercheur au CCDC SC et l'un des auteurs de l'article. "CCDC SC, en retour, fournit une expertise scientifique et centrée sur le soldat et des capacités de test précieuses pour aider à faire avancer la recherche. »
Lors des tests de protection thermique, les chercheurs ont découvert que les nanofibres offraient 20 fois la capacité d'isolation thermique du Twaron et du Kevlar commerciaux.
« Bien qu'il y ait des améliorations qui pourraient être apportées, nous avons repoussé les limites du possible et commencé à faire évoluer le domaine vers ce type de matériau multifonctionnel, ", a déclaré Gonzalez.
« Nous avons montré que vous pouvez développer des textiles hautement protecteurs pour les personnes qui travaillent en danger, " a déclaré Parker. "Notre défi est maintenant de faire évoluer les avancées scientifiques vers des produits innovants pour mes frères et sœurs d'armes."
Le bureau du développement technologique de Harvard a déposé une demande de brevet pour la technologie et recherche activement des opportunités de commercialisation.
