The Projectile Perforation Resistance of Materials: Scaling the Impact Resistance of Thin Films to Macroscale Materials

射弹 材料科学 穿孔 微尺度化学 缩放比例 弹道冲击 材料性能 复合材料 弹道学 弹道极限 纳米技术 结构工程 工程类 数学教育 冲孔 数学 几何学 冶金
作者
Katherine Evans,Shawn H. Chen,Amanda J. Souna,Stephan J. Stranick,Christopher L. Soles,Edwin P. Chan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (27): 32916-32925
标识
DOI:10.1021/acsami.3c05130
摘要

From drug delivery to ballistic impact, the ability to control or mitigate the puncture of a fast-moving projectile through a material is critical. While puncture is a common occurrence, which can span many orders of magnitude in the size, speed, and energy of the projectile, there remains a need to connect our understanding of the perforation resistance of materials at the nano- and microscale to the actual behavior at the macroscale that is relevant for engineering applications. In this article, we address this challenge by combining a new dimensional analysis scheme with experimental data from micro- and macroscale impact tests to develop a relationship that connects the size-scale effects and materials properties during high-speed puncture events. By relating the minimum perforation velocity to fundamental material properties and geometric test conditions, we provide new insights and establish an alternative methodology for evaluating the performance of materials that is independent of the impact energy or the specific projectile puncture experiment type. Finally, we demonstrate the utility of this approach by assessing the relevance of novel materials, such as nanocomposites and graphene for real-world impact applications.
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