Ученые создали новый композитный материал для максимальной защиты от ударов

Новости МирТесен

Ученые из Техасского университета A&M и Исследовательской лаборатории армии США DEVCOM создали новый гибридный материал, названный «суперпена», который обладает способностью поглощать энергию в десять раз эффективнее, чем обычные прокладки и амортизаторы. Основа этой технологии – сочетание стандартной пены с пластиковыми колоннами, напечатанными на 3D-принтере и формирующими внутри неё гибкую структуру, напоминающую скелет. Эти элементы, которые исследователи называют распорками, усиливают пену, существенно повышая её устойчивость к давлению и ударным воздействиям. Благодаря такому методу, доступный и широко используемый материал трансформируется в настраиваемый композит, способный противостоять экстремальным нагрузкам, при этом сохраняя легкость. Разработчики предполагают, что данная система может быть использована в изготовлении защитного снаряжения, автомобильных систем безопасности и даже в обычных предметах быта, например, подушках.

Руководство работой осуществлял доктор Мохаммад Нараги, директор лаборатории наноструктурированных материалов инженерного колледжа Техасского университета A&M, в сотрудничестве с доктором Эриком Ветцелем из армейской исследовательской лаборатории. Традиционная пена находит широкое применение в амортизирующих материалах из-за своей структуры: небольшие воздушные карманы сжимаются под воздействием нагрузки, что способствует рассеиванию энергии. Тем не менее, нерегулярная внутренняя структура обычной пены снижает эффективность этого механизма. Решётчатые материалы, изготовленные по заранее заданному проекту, предлагают лучший контроль, но их производство затруднено и дорогостояще с точки зрения масштабирования. Для решения этой проблемы команда ученых создала метод, получивший название аддитивного производства в пене. Этот процесс позволяет с помощью компьютерного управления формировать сеть эластичных пластиковых распорок непосредственно внутри пены с открытыми порами. Варьируя диаметр, расстояние между элементами и их угол наклона, исследователи могут точно регулировать механические характеристики материала.

Особенность данной разработки кроется в сочетании двух элементов, работающих совместно. В начале процесса сжатия пена фиксирует распорки, не давая им выйти из строя слишком рано. С увеличением давления распорки перераспределяют нагрузку в окружающую пену, обеспечивая значительно более высокую энергопоглощающую способность материала. « Это проявление синергии, симбиотическое сочетание пены и распорок », — уточнил доктор Нараги. Разработке способствует армия США, заинтересованная в создании более совершенных материалов для защиты военнослужащих. Данная гибридная пена способна существенно улучшить защитные характеристики военных касок, которые должны не только остановить пули, но и амортизировать удары при падениях. « Мы не ограничиваемся лишь добавлением дополнительных слоёв к военным каскам, а разрабатываем композитный щит, обладающий повышенной прочностью по сравнению с существующими решениями. При этом он достаточно лёгкий, что позволяет использовать его в течение всего дня без ощущения дискомфорта », — добавил исследователь.

Небольшой вес позволяет материалу улучшать защитные характеристики, не снижая при этом подвижность военнослужащих. Кроме того, рассматривается возможность адаптации этой технологии для создания гражданских шлемов, предназначенных для велосипедистов и спортсменов. В автомобильной отрасли также ведутся работы по внедрению материала: его можно будет использовать в элементах салона или бамперах для поглощения энергии ударов. В будущем суперпена может найти применение и в потребительских товарах, таких как матрасы и сиденья, где изменение расположения внутренних элементов позволит формировать зоны с различной степенью жёсткости. Помимо этого, исследователи изучают способность новой структуры поглощать звуковые волны и вибрации, что может быть полезно для повышения шумоизоляции в транспортных средствах и зданиях.

Результаты исследования были в научном журнале Composite Structures.