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신재료: 케플란 섬유보다 우수한 경질 장갑재료

2022/3/3 11:12:00 0

무게는 보통 과학자들이 방탄 재료의 경계를 추진하는 관건적인 고려 요소로 그들이 상상하는 갑옷은 착용자의 안전을 확보하는 동시에 기동성을 높일 수 있다.위스콘스대 메디슨 분교의 엔지니어들은 현재 신형 초경량 장갑 재료를 제조해 '나노 섬유 패드' 라고 불리며, 독특한 화학적 특성을 가지고 있어 케플란 섬유와 강철보다 성능이 우수하다.

이런 신형 장갑의 기초는 두께가 원자 하나밖에 없는 미소한 탄소 기둥이다.탄소 나노관이라고 불리는 이들은 트랜지스터 연구부터 시력 저하 치료, 폭탄 탐지 장치까지 차세대 재료로서의 발전 전망을 보여준다.

탄소 나노관을 장갑 재료로 조정할 때, 이 새로운 연구의 저자들은 다벽판 탄소 나노관을 채택하여 케플란 나노 섬유와 결합시켰다.이 아이디어는 초기 연구를 바탕으로 이 재료들이 충격을 흡수하는 잠재력을 증명함으로써 그들이 더욱 실용적인 갑옷 해결 방안으로 만들어질 수 있는지 확인하는 것이다.

이 연구를 이끈 Ramathasan Thevamaran은 다음과 같이 말했다.이어 "나미섬유 소재는 보호 응용에 매우 매력적이다. 거시적 규모의 섬유에 비해 나노섬유는 뛰어난 강도와 강인성, 강도를 가지고 있기 때문이다. 지금까지 탄소 나노관 패드는 가장 좋은 에너지 흡수를 보여줬다. 이들의 성능을 더욱 높일 수 있을지 궁금하다"고 덧붙였다.

과학자들은 성공을 위한 비법을 찾을 때까지 화학을 수리했다.그들은 케플란 섬유를 합성하여 탄소 나노관으로 구성된 쿠션에 소량 포함시켰다. 이 두 섬유의 비율이 적당해서 섬유 사이에 수소 결합이 생길 수 있다.이 키들의 결과는 성능의 거대한 비약이다.

Thevamaran은 다음을 나타냅니다."수소 키는 동적 키로서 연속적으로 끊어지고 다시 형성될 수 있다는 것을 의미하며 이 동적 과정을 통해 대량의 에너지를 소모할 수 있다. 또한 수소 키는 이러한 상호작용에 더 많은 경도를 제공하여 나노 섬유 패드의 강도와 경도를 강화한다. 케플란 섬유를 첨가하여 패드의 인터페이스 상호작용을 수정할 때우리는 일부 초음속 충격 속도에서 거의 100%의 에너지 소모 성능을 개선할 수 있다.

그 팀은 미탄환 충격 테스트 시스템을 이용해 이 재료를 테스트했다.이 시스템은 레이저를 이용해 재료 샘플에 서로 다른 속도로 미탄환을 발사해 테스트를 벌이는 것으로 알려졌다.

Thevamaran은 다음과 같이 설명합니다."우리 시스템은 현미경 아래에서 실제로 탄알을 골라 매우 제어할 수 있는 방식으로 목표물을 사격할 수 있으며 그 속도는 초당 100미터에서 초당 1킬로미터를 넘는 속도로 변화할 수 있다. 이로써 우리는 재료의 반응인 수소 결합이 상호작용할 때 한 시간 동안 척도에서 실험을 할 수 있다.”

실험에 따르면 이 신형 재료는 케플라 직물과 강판보다 사람들이 고속 충격을 받지 않도록 보호할 수 있다.이는 방탄복뿐만 아니라 고성능, 초경량 장갑재에 기반을 마련했다.연구진에 따르면 이 재료는 우주선이 고속 공간 조각의 충격을 흡수할 수 있다고 한다.

Thevamaran은 "우리의 나노섬유 패드는 다른 재료 시스템을 훨씬 능가하고 무게도 가볍다"고 말했다.