Как остановить пулю на лету

США – Физики из Университета Райса и Массачусетского технологического института изучали свойства полиуретана. Макроскопические баллистические тесты показали, что этот полимерный материал может не просто останавливать на лету 9-миллиметровые пули, но и «заращивать» входные отверстия.

– Полимер останавливает и фактически запечатывает их в себе. Макроскопического ущерба никакого нет, материал не подвел, трещины не образовались. Вы по-прежнему можете видеть сквозь него, – рассказывает один из руководителей исследования Нэд Томас, демонстрируя небольшой кусок прозрачного пластика с тремя застывшими в нем снарядами.

Ученые решили разобраться, что происходит с этим необычным материалом при внезапном ударе пули, как происходит диссипация энергии.

– Экспериментально полиуретан работает замечательно, но никто не понимал, почему, – добавляет Томас.

Проблема была в том, что никто не станет расчленять материал на слои и изучать их поведение на наноуровне. Это заняло бы слишком много времени. Для ускорения процесса исследователи решили создать модель, которая бы вела себя как полиуретан. В конце концов, они остановили свой выбор на материале с длинным и труднопроизносимым названием – полистирен-полидиметилсилоксан диблок-сополимер.

Этот материал состоит из 20-нанометровых чередующихся слоев полимеров, обладающих свойствами стекла (полистирен) и резины (полидиметилсилоксан). Под «оком» сканирующего электронного микроскопа его срез выглядит как поверхность вельвета.

Вместо пуль ученые использовали бусины из кремнезема диаметром 3 микрометра. Стрелять ими непросто, поэтому в ход пошел лазер, позволявший при помощи специальной подложки разогнать снаряды до нужной скорости (от 0,5 до 5 километров в секунду). После ударов сфер изменение структуры материала физики изучали при помощи того же сканирующего электронного микроскопа.

– После удара мы рассматривали поперечное сечение и видели, как глубоко входит сфера, что происходит с этими прекрасными параллельными слоями. Они рассказывали эволюцию проникновения снаряда и помогали понять, какие процессы могут происходить на наноуровне, – рассказывает Томас.

Американцы запускали «микропули» перпендикулярно и параллельно слоям. Так ученые выяснили, что важно, под каким углом мини-снаряд входит в защитное покрытие. Для лучшей диссипации энергии удара необходимо, чтобы путь сферы был перпендикулярен поверхности. Тогда ударная волна частично отражается слоями, и материал лучше останавливает «нарушителя».



Что же касается механизма происходящих изменений, то физики установили, что деформация материала происходит следующим образом. При вхождении микропули слои сжимаются, как в стопке блинов, начинается скручивание и разделение структуры на фрагменты. При этом вместо трещин происходит практически мгновенное плавление и смешивание слоев. Энергия разогнанной сферы заставляет жидкую фазу на доли секунды разогреться до 3000°C. После материал столь же быстро снова затвердевает, запечатывая входное отверстие пули. Ученые пришли к выводу, что структура из слоев с разными свойствами на 30% лучше останавливает снаряд.

Понимание всех этих механизмов в дальнейшем поможет в разработке других стойких материалов, отмечают специалисты. В конце концов ученые хотели бы найти способы улучшения различных конструкций. Так, прозрачное и почти невесомое покрытие могло бы пригодиться для защиты лопастей турбин реактивных двигателей от разогнанных до высоких скоростей частичек пыли, космических спутников от микрометеоритов и даже обычных ветровых стекол автомобилей от мелких камней.

Кроме того, методы, использованные в этом исследовании, сослужили бы хорошую службу при изучении других материалов, отличающихся небольшим весом и особой прочностью. Речь о нитриде бора, композитах на основе графена и углеродных нанотрубок.

Полный обзор работы американских ученых можно найти в статье в журнале Nature Communications.