一直以来，研究人员都在致力于寻找更好的防高速穿刺的新材料，但很难将有前景的新材料的微观细节与其在现实世界中的实际行为联系起来。据《激光制造网》了解，《ACS Applied Materials & Interfaces》一篇文章表明，为了解决这个问题，美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员设计了一种新方法，使用激光发射的射弹和数据来帮助预测目标材料的微观特性和行为。具体做法是使用高强度激光以接近音速的速度向目标材料喷射微型弹丸，在这种情况下，目标材料是代表待测试的耐穿刺材料的聚合物薄膜。在微观层面上分析粒子和测试的材料样品之间的能量交换，然后使用缩放方法来预测材料对更大高能射弹（例如子弹）的穿刺阻力。就这样，将测试与分析和缩放方法相结合，科学家们可以发现新的防刺穿材料。新方案减少了使用更大的弹丸和更大的样品进行一系列冗长的实验室实验的需要。NIST 化学家Katherine Evans 解释说：“当您研究一种新材料的防护应用时，通过我们的新方法，我们可以更早地了解它的防护性能是否值得研究。”在实验室实验中，合成少量的新聚合物可能是相当常规的，挑战在于扩大数量规模以测试其抗穿刺性——由新型合成聚合物制成的材料，扩大到足够的数量通常是不可能或不切实际的。NIST 材料研究工程师 Christopher Soles 表示：“弹道测试的问题在于，在制造新材料时必须采取两个步骤。你需要先合成一种你认为更好的新聚合物，然后将其放大到公斤级别。这项工作的最大成就是，我们令人惊讶地发现，微弹道测试可以扩展并与现实世界的大规模测试联系起来。”在研究过程中，研究人员使用他们的方法评估了几种材料，包括广泛使用的防弹玻璃化合物、新型纳米复合材料和石墨烯材料样品。LIPIT 使用激光发射的微弹瞄准聚合物薄膜薄层。该测试方法称为 LIPIT，意思是“激光诱导弹丸冲击测试”。它使用激光将由二氧化硅或玻璃制成的微弹发射到感兴趣材料的薄膜中。通过激光烧蚀，激光产生高压波，将微弹材料推向样品。研究人员首先使用该方法分析了一种称为聚合物接枝纳米颗粒聚甲基丙烯酸酯（npPMA）复合材料的纳米复合材料。它由二氧化硅纳米粒子组成，可用于包括防弹衣在内的广泛应用。激光以每秒 100 至 400 米的速度推动微弹射向目标材料，并使用摄像机测量其影响。研究人员将在npPMA上获得的测量结果与额外的数学分析结合起来，同时结合研究文献中关于材料的现有数据，将微弹测试的结果与更大规模撞击中的影响联系起来。由于npPMA是一种新型材料，不容易制造，因此他们扩大了分析范围，将一种更常用的化合物（聚碳酸酯）纳入其中，该化合物被广泛用作防弹玻璃。结合使用文献结果、尺寸分析和 LIPIT 的方法，研究人员能够证明材料的耐穿刺性与材料在断裂之前可以承受的最大应力（即失效应力）相关。这挑战了目前对弹道性能的理解，通常认为弹道性能与压力波如何穿过材料有关。他们的新方法可以确定材料的强度极限，或者它可以承受多少应力和压力，而无需事先直接测量这些特性，这有助于优化在实验中选择哪些材料。这使得他们能够探索石墨烯等材料，这表明该材料的多个薄膜层可以用于抗冲击应用，类似于高性能聚合物。对于下一步的计划，研究人员计划评估其他新型材料的防弹性能，并研究不同的类型和配置。他们还将改变微弹的尺寸并扩大其速度范围。
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