Il laboratorio di ricerca dell'esercito americano sta lavorando allo sviluppo di nuovi materiali ceramici leggeri che resistono alla frattura, e ha collaborato con ricercatori dell'Università della Florida per capire meglio esattamente come questi materiali, che sono adatti per la protezione personale del soldato e i sistemi dell'esercito, frattura, e come possono essere ulteriormente migliorati. Si stanno concentrando sul fallimento attraverso il cracking; il materiale alla fine si disintegra in uno stato granulare attraverso un processo chiamato comminuzione.

"Mentre vari materiali ceramici possiedono un'elevata durezza, si guastano facilmente quando vengono smontati. Questo è, quando sottoposto a forze di trazione. La quantità di tensione che questi materiali possono sopportare prima del cedimento, è una piccola frazione della compressione che possono sopportare. Di conseguenza, l'impatto ad alta velocità di proiettili e frammenti provoca ampie fessurazioni e frammentazione del materiale, riducendo la sua capacità di utilizzare appieno la sua durezza superiore per resistere a stati di stress complessi generati dall'evento di impatto, " ha spiegato il dottor Sikhanda Satapathy, del ramo di scienze della protezione del soldato dell'ARL.

Tradizionalmente, la relazione tra la capacità del materiale granulare di resistere alla compressione e la sua capacità di resistere alla deformazione da taglio, che provoca il cambiamento di forma del materiale è stato descritto dal modello di Mohr-Coulomb. Questo modello approssima la resistenza del materiale alla deformazione da taglio (resistenza al taglio) come funzione lineare della pressione applicata. In realtà, la resistenza al taglio non aumenta linearmente con la pressione e si satura ad alte pressioni.

I ricercatori dell'UF hanno sviluppato un nuovo modello che descrive la risposta del materiale granulare in modo più accurato studiando lo stato di stress in cui una varietà di ceramiche si guasta, come riportato in letteratura da vari team di ricerca.

L'ARL e il team UF hanno collaborato per utilizzare questo modello di risposta granulare migliorato in combinazione con una struttura di modellazione dell'espansione dinamica della cavità per catturare la risposta della ceramica al complesso stato di stress indotto dall'impatto che include compressione, tensione e taglio. La struttura di modellazione dell'espansione dinamica della cavità utilizza la pressione necessaria per espandere una cavità in un materiale intatto per caratterizzare la sua capacità di resistere alla penetrazione profonda. Questa pressione, Certo, dipende da come il materiale risponde alla compressione, forze di trazione e taglio. A causa dell'applicabilità di questo nuovo modello a un'ampia classe di ceramiche, la necessità di costosi esperimenti per caratterizzare la risposta alla penetrazione è significativamente ridotta. Il nuovo modello di penetrazione migliora la comprensione di come la ceramica fragile risponde allo stress da impatto elevato fratturandosi e trasformandosi in materiale granulare, e aumenta la capacità di modellazione degli eventi di penetrazione.

È stato dimostrato che il modello migliorato prevede meglio la resistenza di un'ampia gamma di bersagli in ceramica quando viene colpito da proiettili a canna lunga a velocità fino a 3 km/s. Gli importanti parametri del materiale per le prestazioni di penetrazione di un target ceramico sono stati identificati attraverso questo sforzo collaborativo, che guiderà come i processi di guasto in ceramica possono essere controllati attraverso una migliore progettazione dei materiali o attraverso un approccio di sistemi multi-materiale.

"Comprendere la meccanica della risposta del materiale alle condizioni di stress generate dall'impatto del proiettile è cruciale in questa ricerca, " Ha detto Satapathy. La ricerca apparirà nel Giornale internazionale di solidi e strutture .