Przy takim zderzeniu ogromne znaczenie ma nie tylko wytrzymałość samej struktury, ale też sposób, w jaki pochłania ona energię i reaguje na gwałtowne zmiany ciśnienia. Jednocześnie sam pomysł “ostrzeliwania materiału” nie brzmi szczególnie odkrywczo, bo przecież testy odporności materiałów na uderzenia są codziennością w inżynierii. Tym razem jednak najważniejsze okazało się nie to, czy pocisk przebije próbkę, ale co stanie się z jej strukturą atomową w ciągu zaledwie kilku mikrosekund.
Naukowcy stworzyli diamentowy kompozyt, a następnie potraktowali go pociskami
Diamenty są wyjątkowo twarde, a połączenie ich drobnych ziaren w większą, zwartą strukturę wymaga odpowiednio wysokiej temperatury i ciśnienia. Taki proces może prowadzić do niepożądanej przemiany diamentu w grafit, przez co materiał traci właściwości, na których najbardziej nam zależy. Badacze rozwiązali jednak ten problem, łącząc ziarna diamentu z sześciennym azotkiem boru (cBN) oraz kobaltem. Następnie wykorzystali technologię spiekania iskrowo-plazmowego w temperaturze 1400°C i przy ciśnieniu 90 MPa.
Tak oto uzyskali zwarty, twardy kompozyt, w którym diamentowe ziarna zachowały swoją strukturę mimo ekstremalnych warunków produkcji. Prawdziwa próba była kolejnym etapem.
W swoim eksperymencie naukowcy wykorzystali dwustopniowe działo gazowe o długości około 14 metrów, które w laboratorium Hypervelocity Impact Laboratory potrafi rozpędzać pociski do prędkości sięgających nawet 47000 km/h. W pierwszym teście wystrzelili skupisko aluminiowych pocisków o średnicy jednego milimetra z prędkością około Mach 7,5. Kompozyt wytrzymał uderzenia, ale drugi eksperyment przyniósł zupełnie inny rezultat. Pojedynczy pocisk o średnicy czterech milimetrów, rozpędzony do około Mach 8,45, czyli mniej więcej 10500 km/h, doprowadził do rozbicia próbki.
Czytaj też: Kwantowa siła poruszyła diamentem. Fizycy polują na kota Schrödingera
Warto przy tym pamiętać, że średnica pocisku wzrosła czterokrotnie. Przy założeniu identycznego kształtu oznacza to więc aż 64-krotny wzrost jego masy. Dlatego też obu prób nie można traktować wyłącznie jako porównania odporności przy różnych prędkościach. Najciekawsze wydarzyło się jednak i tak wewnątrz uszkodzonego materiału.
Diament zamienił się w grafit. Jego słabość może okazać się zaletą
Analiza mikrostruktury wykazała, że diamentowe ziarna w kompozycie przeszły niemal całkowitą przemianę w grafit. Tak, ten sam materiał, który kojarzymy przede wszystkim z wkładami do ołówków. Brzmi to absurdalnie, ale z punktu widzenia fizyki ma sens, bo oba materiały składają się z węgla, a różni je przede wszystkim sposób połączenia atomów. Diament tworzy wyjątkowo sztywną, trójwymiarową sieć wiązań, podczas gdy grafit ma strukturę warstwową, której poszczególne płaszczyzny mogą stosunkowo łatwo przesuwać się względem siebie.
Czytaj też: Alternatywny diament wprost z laboratorium. Nigdy przedtem nie udało się uzyskać takiego materiału
Według autorów badania, które ukazało się w czasopiśmie “Materials Today”, taka gwałtowna przemiana fazowa mogła stanowić jeden z najważniejszych mechanizmów pochłaniania energii uderzenia. Analizy mikroskopowe i symulacje dynamiki molekularnej wskazały zaś, że diamentowe ziarna zmieniały swoją strukturę w ciągu mikrosekund. Innymi słowy, zamiast wyłącznie przeciwstawiać się uderzeniu, materiał zużywał część przekazanej mu energii na przebudowę własnej struktury atomowej.
Dla mnie jest to najciekawszy aspekt całego eksperymentu. Naukowcy najpierw musieli znaleźć sposób na powstrzymanie przemiany diamentu w grafit podczas produkcji, a następnie odkryli, że właśnie taka przemiana pod wpływem ekstremalnego uderzenia może być pożądanym mechanizmem pochłaniania energii. Podobny paradoks dotyczący zachowania materiałów opisywałem już przy badaniach nad wytrzymałością ultracienkich struktur, gdzie ograniczenie grubości potrafi zwiększać odporność na określone obciążenia.
Czy diamentowe pancerze mają przed sobą przyszłość?
Nie oznacza to oczywiście, że naukowcy stworzyli już materiał, który zatrzyma dowolny pocisk hipersoniczny. Najsilniejsze uderzenie rozbiło przecież kompozyt, a samo zaobserwowanie przemiany fazowej nie dowodzi jeszcze, że taka konstrukcja zapewni lepszą ochronę niż współczesne materiały ceramiczne czy wielowarstwowe osłony. Teraz badacze muszą przede wszystkim ustalić, ile energii rzeczywiście pochłania sama przemiana diamentu w grafit i jak wykorzystać ten mechanizm bez katastrofalnego uszkodzenia całej struktury.
Mimo tego uważam, że eksperyment wskazuje interesujący kierunek dla rozwoju osłon stosowanych w lotnictwie, astronautyce i technologiach wojskowych. Zamiast bowiem szukać wyłącznie coraz twardszych materiałów, inżynierowie mogą projektować kompozyty, które przy uderzeniu celowo zmieniają swoją strukturę, aby ograniczać ilość energii przekazywanej dalej. Zwłaszcza w osłonach wielowarstwowych taka właściwość mogłaby okazać się cenna, o ile uda się ją odpowiednio kontrolować.
Czytaj też: Topniejący diament to skarbnica wiedzy. Naukowcy mówią o skoku w energetyce i astronomii
Ostatecznie największym osiągnięciem naukowców nie jest więc rozbicie diamentu pociskiem rozpędzonym do ponad Mach 8. Znacznie ważniejsze wydaje mi się pokazanie, że nawet tak ekstremalna przemiana struktury materiału może stanowić użyteczny mechanizm ochronny. Pytanie tylko, czy inżynierowie nauczą się go wykorzystywać, zanim sam kompozyt ulegnie zniszczeniu.
Źródła: Materials Today, Texas A&M University
