弾道衝撃保護のためのポリイミドエアロゲル | 株式会社ワイズワーズグループ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13933 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

エッジクランプされたモノリシックポリイミドエアロゲルブロック (厚さ 12 mm) の弾道性能は、真空チャンバーに接続されたヘリウム充填ガスガンと、弾丸を備えた球形鋼製発射体 (直径約 3 mm) を使用した一連の衝撃試験を通じて研究されました。衝撃速度範囲は 150 ～ 1300 ms−1。エアロゲルの平均嵩密度は 0.17 g cm-3 で、気孔率は約 88% でした。エアロゲルの弾道限界速度は 175 ～ 179 ms-1 の範囲であると推定されました。さらに、エアロゲルは強力な弾道エネルギー吸収性能を示しました（たとえば、衝撃速度 1283 ms-1 では、衝撃エネルギーの少なくとも 18% が吸収されました）。低い衝撃速度では、エアロゲルは延性の穴の拡大によって破壊され、その後引張破壊が起こりました。対照的に、高い衝撃速度では、エアロゲルは断熱剪断プロセスによって破壊されました。ポリイミドエアロゲルは、実質的に堅牢な弾道性能を備えているため、軌道上のデブリ封じ込め用途の詰め物ホイップルシールドなど、高い耐爆性と弾道性能要件を必要とする航空宇宙用途におけるコスト、重量、体積制限などの複数の制約に対処できる可能性を秘めています。。

軌道デブリは、まだ地球の周りの軌道上にある打ち上げられた物体からの残留物です1。デブリの最も一般的な発生源は、通常はミリメートルサイズの粒子が生じる宇宙物体の爆発によるものです2。軌道上のデブリはその速度が速いため、何十年もの間、宇宙飛行の安全に対する最も重要な脅威の 1 つと考えられてきました3。地球低軌道では衝突速度は 7 ～ 10 km s-1 の範囲にあります4。この脅威は現在、世界的な宇宙活動の増加に伴いさらに大きくなっています5。したがって、軽量でありながら超高速粒子に対する効果的なシールドシステムを開発することは、あらゆる宇宙探査ミッションにとって極めて重要です。

これに関連して、フレッド・ウィップルは 1940 年代に、犠牲的な薄いバンパーシートと一定の距離を隔てた厚い後壁で構成される宇宙船用の軌道デブリシールドシステムを提案しました 6,7。犠牲バンパーシートの役割は、破片を粉砕して破片の雲を作ることです。後壁の厚さは、破片雲の爆発の勢いに十分耐えられるものでなければなりません。さらに、Whipple シールドのシールド性能を高めるために、通常、複数層の Nextel や Kevlar 生地などの高強度生地が詰められています7。

現在、ホイップルのぬいぐるみシールドは主に国際宇宙ステーション (ISS) で軌道上のデブリを封じ込めるために使用されています8。通常、ISS では、バンパーは厚さ 2 mm の Al 6061-T6、後壁は厚さ 4.8 mm の Al 2219-T87 または Al 2219-T851、詰め物材料は 6 層のケブラー 29 スタイル 710 と 6 層のケブラー 29 スタイル 710 です。互いに異なる距離にある Nextel AF62 生地 7、9。バンパー壁と後壁の間の合計距離は 11 cm を超えており、間に材料の間隔はありません。現在の設計構成は基本的に、シールド内部の強度対重量比を最大化することに基づいています。ただし、この設計はまだかさばっており、総重量だけでなくシールドの総体積もさらに削減することで改善できる可能性があります。 1 つの顕著なアプローチは、充填されたホイップルシールドのスタンドオフ間隔に低密度の耐衝撃性材料を使用して、微細構造内で二次デブリ雲を減速/捕捉することです10。内部シールドの強化として低密度の耐衝撃性素材を使用すると、詰め物素材の防弾性能が向上します。これにより、シールドシステムの重金属後壁の厚さを薄くすることができ、ホイップルバンパーとバックプレートの間のスタンドオフスペースも減らすことができ、大幅な質量と体積の節約につながる可能性があります。

歴史的には、彗星や星間塵粒子などの超高速宇宙粒子は、典型的な速度 6 km s-1 でシリカエアロゲルによって捕捉され、スターダスト NASA ミッションを通じて地球に帰還しました 11,12。数年後、シリカエアロゲルは、国際宇宙ステーションの地球低軌道でも、クレーターを検出および定量化するための受動的検出器として使用されました13。エアロゲルのサンプルを地球に持ち帰ったところ、大量の破片が含まれていました。収集された粒子と破片のサイズはわずか数十ミクロンでしたが、これらの研究はエアロゲル材料での弾道封じ込めの可能性が高いことを示していることは言及する価値があります。シリカエアロゲルは非常に壊れやすく、ヤング率や曲げ弾性率などの機械的特性が非常に低いため、その超高速微粒子封じ込め能力は、シリカナノ粒子のランダムな凝集によって形成される非常に曲がりくねった微細構造と、高い比表面積に起因すると考えられます。しかし、サイズ 1 ミリメートルのデブリ粒子は、同様の密度と衝突速度の場合、サイズ 1 ミクロンの球形粒子よりも 10 億倍の運動エネルギーを持っています。したがって、壊れやすいシリカエアロゲルは、機械的特性が弱いため、ミリメートルサイズのデブリに対するデブリ封じ込め修復用途としては効果的ではありません14。

あるいは、シリカエアロゲルに相当するかさ密度で、優れた機械的特性を備えた非常に曲がりくねったメソ多孔質の微細構造を持つポリマーエアロゲルを合成することもできます15、16、17、18、19、20。ポリマーエアロゲルは、シリカエアロゲルの対応する値よりも桁違いに高いヤング率などの機械的特性を備えた高い延性を示します21、22、23、24。ポリマーエアロゲルの出現は、エアロゲル材料の力学に関する私たちの見方にパラダイムシフトをもたらしました25。多くのポリマーエアロゲルの中でも、高性能ポリイミドエアロゲルは、その強力な機械的特性と高温での優れた構造的完全性により、さまざまな航空および航空宇宙用途に実装されています15、26、27、28、29。

この背景を念頭に置いて、この研究の主な目的は、さまざまな速度での一連の弾道衝撃試験を通じて、機械的に強力なポリイミドエアロゲルのクラスの弾道性能を調査することです。実験は、真空チャンバーに接続されたヘリウムを充填したガス銃と球状鋼製発射体（直径 3.175 mm）を使用して行われました。この研究の結果は、将来の宇宙探査ミッションのための新しい高度なぬいぐるみ製ホイップルシールドシステムの設計と製造に役立ちます。したがって、ポリイミドゲルは、N-メチル-2-ピロリドン（NMP）中の化学量論量のピロメリット酸二無水物（PMDA）と2,2'-ジメチルベンジジン（DMBZ）を使用したゾルゲルプロセスを通じて合成され、ポリアミド酸の溶液が作成されました。オリゴマー。これらのオリゴマーは、脱水剤として無水酢酸 (AA)、塩基触媒としてトリエチルアミン (TEA) を使用し、室温で化学的手段によってイミド化されました。イミド化オリゴマーは、市販の 1,3,5-ベンゼントリカルボニルトリクロリド (BTC) を使用してさらに架橋されました。ポリイミドエアロゲル合成の反応経路を図 1 に示します。最終ステップでは、ゲルを高純度 tert-ブタノールに溶媒交換し、室温以下で非晶質かつ等積的に凍結させ、その後流動下で昇華させました。乾燥ガスを大気圧で供給するため、真空容器が不要になります。

ポリイミドエアロゲルの化学合成。

この研究では、公称寸法が 76.2 mm × 76.2 mm × 12 mm で、同一の化学配合 (繰り返し単位数 \(n=40\) でポリマー濃度 10 w%) の 12 個のポリイミドエアロゲルサンプルを準備しました。ポリイミドエアロゲルサンプルのかさ密度、気孔率、収縮、および実際の厚さを表 1 に示します。サンプルのかさ密度の平均は 0.17 g cm-3 でした。密度の変動 (標準偏差 12%) は、乾燥機の異なる場所でのサンプルの昇華速度の変化によるものです。さらに、エージングおよび溶媒交換プロセス中に収縮の兆候は観察されませんでした。サンプルの金型に対する平均総線収縮率は 18.8% でした。エアロゲルの骨格密度は 1.46 g cm-3 と測定されました。骨格密度と嵩密度を使用して、サンプルの気孔率は 88.3% と計算されました。収縮率が最も低い場合 (収縮率 15% の PI-3、表 1 を参照)、サンプルの気孔率は 90% に近くなります。最高の収縮 (24% 収縮の PI-12、表 1 を参照) では、サンプルの気孔率は 85.6% です。

エアロゲルの形態は、走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用して研究されました。図 2 は、かさ密度 0.16 g/cm3 のポリイミドエアロゲルサンプル (PI-7) のさまざまな倍率での SEM 画像を示しています。エアロゲルの顕微鏡写真は、平均繊維直径 11.37 nm の高度に絡み合った曲がりくねった繊維微細構造を示しています。繊維の直径サイズ分布を図 2 の挿入図として示します。微細構造はエネルギー散逸性能に重要な役割を果たします。ガラス状ポリマーの場合、主なエネルギー散逸メカニズムは分子間のもつれの解除と分子の切断に起因します 30。したがって、この研究の場合のように、高度に絡み合った繊維状微細構造を有するポリマー系は、通常、衝撃エネルギーの緩和を含む機械的エネルギー吸収用途において、粒子状微細構造を有する対応物よりも優れた性能を発揮します。

かさ密度 0.16 g/cm3 (\(n=\) 40、10% w/w) のポリイミドエアロゲルのさまざまな倍率での代表的な SEM 顕微鏡写真。エアロゲルの繊維直径のサイズ分布も挿入図に示されています。

FTIR 分光法を使用して、ポリイミドエアロゲルの化学結合を特定しました。図 3A は、ポリイミドエアロゲルサンプル (PI-6) の FTIR スペクトルを示しています。同定された吸収 (cm-1) は次のとおりです: 1721 (s) のイミドカルボニル (C=O)、1366 (s) のイミド CN、1103 (m) および 816 (m) の PMDA および DMBZ からのベンゼン置換m)、および 725 (m)31 のイミド。図 3B は、ポリイミドエアロゲルの代表的な 13C NMR スペクトルを示しています。スペクトルには、イミドカルボニルを示す 167.1 ppm のピークがあり、110 ～ 140 ppm の芳香族ピーク、および 18.7 ppm のピークは DMBZ32 のメチル基に割り当てられます。

(A) ポリイミドエアロゲルの代表的な FTIR および (B) 固体 CPMAS 13C NMR スペクトル。

ポリイミドエアロゲルの多孔質構造は、図 4A および B33 に示すように、N2 吸着測定を通じて研究されました。エアロゲルは主にメソ多孔質で、約 566 m2 g-1 の高い比表面積を持っています。 BJH 脱着を使用したエアロゲルの平均細孔サイズは 16.84 nm です (図 4B を確認してください)。大きな表面積は、図 4B と一致して、細孔サイズの分布が狭いことを示しています。

(A) 77 K での代表的な N2 吸着等温線プロット、および (B) ポリイミドエアロゲルの BJH 細孔径分布。

エアロゲルの熱分解特性も、図 5 に示すように、熱重量分析 (TGA) と微分熱重量分析 (DTG) を利用して研究されました。わずかな質量損失 (約 5%) が、約 300 °で TGA 信号の開始時に存在します。 C. これは、常圧乾燥プロセスで水分や閉じ込められた溶媒が除去されたためである可能性があります。分解は 459 ～ 507 °C で始まりました。分解温度を超えると質量損失率が大幅に増加します (DTG 値も大幅に変化します)。 700 °C での固体重量残留物は、空気および窒素雰囲気下でそれぞれ約 50% および 65% です。

ポリイミドエアロゲルの代表的な TGA および DTG プロット。

低いひずみ速度 (つまり、0.01 s-1) でのエアロゲルのヤング率も室温で測定されました。圧縮時のポリイミドエアロゲルサンプルの典型的な応力 - ひずみ曲線を図 6 に示します。ポリイミドエアロゲルの圧縮挙動は、弾性変形、圧縮、および緻密化の 3 つの段階に従います。圧縮下のサンプルでは座屈は観察されませんでした。 0.16 g cm-3 でのエアロゲルのヤング率は約 139 MPa であることが判明しました。これは、そのような低嵩密度材料にとっては高い弾性率であると考えられます25。これらのエアロゲルの比弾性率（つまり、単位密度あたりの弾性率）は 0.87 × 106 m2 s−2 であり、これはラテックスフォームなどの典型的な高密度ポリマーフォームの対応する値（0.0002 × 106 m2 s−2）よりも 3 桁高いです。 2)、同様のかさ密度で Duocel® (0.47 × 106 m2 s−2) などの最先端のアルミニウムフォームの 2 倍の高さがあります。

かさ密度 0.16 g cm-3 におけるポリイミドエアロゲルの典型的な準静的一軸圧縮応力 - ひずみ応答。

エアロゲルブロックの弾道衝撃応答は、真空チャンバーに接続されたヘリウム充填ガスガンを使用して研究されました34。図 7A は、実験装置の概略図を示しています。この銃は、直径 3.175 mm の球状鋼製発射体を搭載した装弾筒を推進しました。エアロゲルサンプルは、クランプ固定具を使用してエッジクランプされました。図 7B および C は、クランプ固定具のコンポーネントを示しています。サンプルテストウィンドウのサイズは 50.8 mm x 50.8 mm です。

(A) この研究で使用した真空チャンバーに接続されたヘリウム充填ガスガンの主要コンポーネントを示すスケッチ。 (B) 2 インチ×2 インチの開いた窓を備えた試験片クランプ固定具の正面図。 (C) さまざまなコンポーネントで構成される試験片クランプ固定具の分解図: (1) ベースプレート、(2) ゴムシール、(3) 試験片、(4) 面サポート、および (5) 機械的クランプ。

測定された発射体の衝突速度と出口速度、およびさまざまな速度でのエアロゲルの吸収エネルギー割合を表 2 に示します。発射体の衝突速度は 150 ～ 1300 ms-1 の範囲にあります。エアロゲルブロックによる吸収エネルギーの割合は、\(\left( {v_{i}^{2} - v_{e}^{2} } \right)/v_{i}^{2} の比率を使用して計算されました。 \)、ここで \(v_{i}\) と \(v_{e}\) はそれぞれ発射体の衝突速度と射出速度です。

図 8 は、発射体の衝突速度の関数として発射体の射出速度を示しています。弾道限界速度を下回ると、エアロゲルブロックは発射体のすべての運動エネルギーを吸収します。表 1 と図 8 を使用すると、エアロゲルの弾道限界速度は 175 ～ 179 ms-1 と推定されます。

発射体の出口速度 \({v}_{e}\) を発射体衝突速度 \({v}_{i}\) の関数として測定しました。

ポリイミドエアロゲルブロック (PI-6) に対する 174 ms-1 の衝突速度での球状発射体の衝突に関連する一連の高速写真の例を図 9 に示します。各写真の時刻は図 9 に示されています。 \(t=\) 0 の図は、エアロゲルブロックの前面に対する衝撃の瞬間と見なされます。このサンプルの場合、この衝撃速度で発射体はエアロゲルブロックの前面を貫通し、\(t=\) 0.69 ミリ秒でブロックから反射します。衝突速度 171.53 ms-1 の発射体が PI-8 エアロゲルブロックによって停止され、その中に捕捉されたことが注目されます。 PI-6 サンプルへの衝突イベントに関連する映像は、サポート情報 (ムービー S1) に提供されています。

衝撃速度 174 ms-1 の発射体によるポリイミドエアロゲルブロック (PI-6) の衝突の高速写真シーケンス。発射体がエアロゲルブロックの前面に接触する衝撃瞬間に対する相対時間も各フレームに表示されます。

図９に関連するサンプル（ＰＩ－６）の前面および背面から撮影された光学画像も、それぞれ図１０Ａおよび図１０Ｂに示されている。衝突プロセス中に、発射体とターゲットの間でエネルギーの交換が行われます。発射体の運動エネルギーは、ターゲット内の内部エネルギーの増加と材料の変形（材料の破損を引き起こす）によって部分的に交換されるか、侵食された材料の形で失われます。発射体はエアロゲルよりも十分に強くて硬いため、発射体の運動エネルギーの減少はエアロゲルの変形と破損のみに起因すると考えられます。エアロゲルの材料破壊は、衝撃を受けたエアロゲルブロックの一連の X 線マイクロコンピューター断層撮影 (μ-CT) によって研究されました。サポート情報のムービー S2 は、PI-6 サンプルの CT スキャンによる体積画像の断面スライスを示しています。図 10C は、衝撃を受けた PI-6 エアロゲルブロックの 3D レンダリングを示しています。この画像は、PI-6 エアロゲルブロックの衝撃ゾーンの局所的な材料損傷を示しています。 PI-6 衝突ゾーンの断面の拡大図も図 10D に示されています。高密度ゾーン (圧縮された材料) は、無傷の材料ゾーンよりも明るく表示されます。エアロゲルは、低い衝撃速度で延性破壊を起こしました。発射体は、PI-6 ブロックの前面に直径よりも大きな穴を作成します。エアロゲルの圧力波の速度は、エアロゲルのヤング率と嵩密度を使用して計算すると、約 930 ms-1 であると推定されました。したがって、圧力波速度は発射体の衝突速度 (174 ms-1) よりも高速です。図 10C と D は、前面の穴の幅が発射体が停止する点まで増加したことを示しています。材料内の発射体の巣の直径は発射体の直径に非常に近いです。また、貫通直後の砲弾による引張応力によると考えられる引張破壊により、周方向の亀裂が発生した。

(A) 衝撃後の PI-6 エアロゲルブロックの前面と (B) 背面。 (C) 衝撃を受けた PI-6 エアロゲルブロックの断面 3D レンダリング。 (D) PI-6 衝突ゾーンの断面の拡大図 (寸法は mm)。スケールバーは1インチです。

高い発射体の衝撃速度でのエアロゲルの材料破壊は異なります。一例として、PI-1 エアロゲルブロックは、衝撃速度 1283.5 ms-1 の発射体によって衝撃を受けました。図 11A と B は、それぞれエアロゲルブロックの前面と背面から撮影した光学画像を示しています。この速度では、サボットも破損し、サボットストッパーへの衝撃によって粉々に砕け散り、そのため、エアロゲルブロックは発射体の衝突後に自由飛行するサボットの破片による二次衝撃を受けました。エアロゲルブロックの前面にある黒い点は、サボ片からの衝撃に関連しています (図 11A を参照)。衝撃を受けたPI-1エアロゲルブロックのμ-CT分析から、衝撃を受けた衝撃の平均侵入深さは1.56mmであると測定された(図11Cを参照)。サポート情報のムービー S3 は、PI-1 サンプルの CT スキャンによる体積画像の断面スライスを示しています。 PI-6 サンプルとは対照的に、高速では、エアロゲルの材料破壊は純粋なせん断 (断熱せん断プロセス) です。図 11D は、衝撃ゾーンの断面における衝撃を受けたエアロゲルブロックの µ-CT 3D レンダリングを示しています。発射体の直径よりわずかに大きい内径を持つ、きれいな円筒形の穴が表示されます。

(A) 衝撃後の PI-1 エアロゲルブロックの前面と (B) 背面。 (C) PI-1 エアロゲルブロックの前面に貫通した後の砲弾破片の µ-CT 3D レンダリング。 (D) PI-1 衝突ゾーンの断面の µ-CT 3D レンダリング。スケールバーは1インチです。

衝突したポリイミドエアロゲルブロックによる吸収エネルギーのパーセンテージを発射体の衝撃速度の関数として表した全体的な弾道エネルギー吸収性能を図 12 に示します。この研究における発射体の衝撃速度の範囲にわたって、エアロゲルブロックは 2 つの状態を示します。最初に、発射体の衝突速度を最大約 900 ms-1 まで増加させると、引張伸長による追加のエネルギー吸収なしに発射体がエアロゲルブロックを貫通するにつれて吸収エネルギーが低下します。 900 ms-1 以降、エアロゲルが断片化をブロックし、場合によっては部分的に溶融するため、吸収エネルギーがわずかに増加します。速度 921.65 ms-1 の発射体が衝突した PI-9 エアロゲルブロックの前面と背面は、ターゲットの断片化を示しています。図 12 の挿入図に示されています。全体として、エアロゲルは最小 20% のエネルギー吸収能力を示します。この研究では。

ポリイミドエアロゲルブロックの弾道エネルギー吸収性能は、発射体の衝撃速度の関数として表されます。挿入図は、921.65 ms−1 の速度の発射体によって衝撃を受けた PI-9 エアロゲルブロックの前面と背面を表示しています。

PMDA および DMBZ は Chriskev (カンザス州レネクサ) から購入しました。 TEA と AA は Sigma Aldrich から購入しました。 BTC は Sigma-Aldrich から購入しました。 NMP、アセトン、tert-ブタノールは Fisher Scientific から購入しました。すべての材料は受け取ったまま使用されました。ただし、短期間の大気暴露の後、二無水物は 120 °C で 24 時間真空乾燥する必要がありました。

二無水物として PMDA、ジアミンとして DMBZ、架橋剤として BTC を使用し、鎖長 n = 40、ポリマー濃度 10% w/w のポリイミドエアロゲルを調製しました。配合物は以下のようにして製造した。ＤＭＢＺ（７．５７ｇ、３５．６７ｍｍｏｌ）を１１５ｍｌのＮＭＰの溶液に添加した。これをジアミンが完全に溶解するまで約１５分間撹拌した。次いで、ＰＭＤＡ（７．５９ｇ、３４．８０ｍｍｏｌ）をこの溶液に添加し、二無水物が完全に溶解するまで１０分間撹拌した。二無水物を添加すると溶液は赤褐色に濁り、徐々に透明な淡黄色に変化した。無水酢酸（２６．３２ｍｌ、２７８ｍｍｏｌ）およびトリエチルアミン（４．８５ｍｌ、３４．７８ｍｍｏｌ）を触媒としてポリ（アミド）酸に添加し、イミド化を開始した。この溶液を約 10 分間撹拌して化学イミダライズ用のモノマーを完全に取り込み、5 分間撹拌した後には非常に粘稠になりました。あらかじめ 7.57 ml NMP に溶解させた BTC (0.154 g、0.58 mmol) 架橋剤をポリマー溶液に添加し、粘稠な溶液中に気泡が生じるのを避けるために低 rpm (150) で 1 ～ 2 分間撹拌しました。その後、型に流し込んでゲル化させます。ゲル化は45分以内に起こった。ゲル合成およびエージング（２４時間）後、ゲルを純粋なｔｅｒｔ－ブタノールの５つの連続した浴に浸漬することによって、ゲルをｔｅｒｔ－ブタノールに溶媒交換した。バスの体積はゲルの約5倍であり、溶媒交換は約40℃で行われました。溶媒交換後、ゲルを常圧乾燥チャンバーに移し、そこでtert-ブタノールの凝固点（すなわち、26℃）以下に冷却した。これらの条件では、ゲル内の凍結した tert-ブタノールは蒸発するのではなく昇華し、それによって液体と蒸気の界面で生じる有害な表面張力を回避します。乾燥した空気の連続的な流れが乾燥チャンバーに供給されるため、チャンバー内の tert-ブタノール濃度は低く保たれ、ゲルは昇華によって乾燥し続けました。このプロセスは、すべての tert-ブタノールがゲルから除去されるまで継続され、その時点で乾燥エアロゲルが乾燥機から取り出され、周囲温度に戻されました。

減衰全反射 (ATR) 赤外分光法は、Nicolet Nexus 470 FT-IR 分光計を使用して実行されました。ポリイミドエアロゲルの固体 13C NMR スペクトルは、4 mm 固体プローブを備えた Bruker AVANCE-300 分光計で、交差偏光と 11 kHz でのマジックアングルスピニングを使用して取得しました。窒素収着ポロシメトリーは、ASAP 2000表面積/細孔径分布分析装置(Micromeritics Instrument Corp.)で実施した。かさ密度は、サンプルの重量と物理的寸法から決定されました。骨格密度は、Accupyc 1340 ヘリウム比重計(Micromeritics Instrument Corp.)を使用して測定した。熱重量分析 (TGA) は、TA モデル 2950 HiRes 機器を使用して実行されました。サンプルは、窒素または空気下で室温から 750 °C まで 10 °C/分の昇温速度で実行されました。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、金／パラジウムでコーティングされたサンプルを使用して、ＨｉｔａｃｈｉＳ－４７９９－１１電界放射走査型電子顕微鏡で実行された。準静的圧縮試験は、500 N ロードセル (読み取り値の 0.5% の精度) を備えた Instron 機械試験システム (Instron Inc.、モデル 5969、マサチューセッツ州ノーウッド) で実行されました。圧縮率は 0.5 mm min-1 に設定しました。圧縮試験には、直径 20 mm、高さ 12 mm の円筒形サンプルを使用しました。

衝撃試験は、真空チャンバーに接続されたヘリウムを充填したガスガンを使用して実行されました。砲身は軟鋼製で、口径は 23 フィート 2 インチです。直径 0.125 の球状鋼製発射体 (硬化鋼製ボールベアリング) を円筒状のポリカーボネートサボ内に配置しました。圧力容器内のヘリウムは必要な圧力に加圧されました。発射体とサボットは、それぞれ公称厚さ 0.005 インチの 2 枚以上の Mylar® シートの間に挟まれたニクロム線で構成されるバーストディスクを使用して高圧ヘリウムを放出することによって、砲身の下に加速されました。試料用の固定具を保持する真空チャンバー。サボットは、3D プリンター (Markforged Onyx Pro、Markforged Inc.、ウォータータウン、マサチューセッツ州) を使用して積層造形されました。比剛性を高めるように設計されています。サボは、強度を高めるために連続ガラス繊維（Fiberglass、Markforged Inc.、マサチューセッツ州ウォータータウン）からなる下層を備えた炭素繊維注入ナイロンフィラメント（Onyx、マサチューセッツ州ウォータータウンのMarkforged Inc.）で印刷されました。この設計により、極度の加速に耐えることができると同時に、加速されたパッケージの全体の質量が減少しました。バレルの端にある円錐形のオリフィスが砲弾の材料を捕捉して方向を変え、発射体が飛行経路に沿って進み続けることを可能にします。また、円錐形のオリフィスはガン内の残りの圧力を半径方向外側に逃がし、ターゲットにかかる力を最小限に抑えます。発射体の衝突速度と射出速度（貫通の場合）は、2 台の高速カメラ（Photron SA-Z、Photron Inc.、東京、日本）を使用して測定されました。カメラは衝撃試験の前に、砲身から突き出たアルミニウム棒を使用して校正され、1 インチごとに校正マークが付けられました。これらのカメラは、標本の前面と背面の側面図を提供しました。また、別のカメラ (Photron SA-Z、Photron Inc.、東京、日本) を定性的な衝撃プロセス調査のために試験片の前面上部に設置しました。発射体の速度は、衝突前後の 5 つの異なる位置で発射体の重心位置を追跡することによって測定されました。パネルを取り付けない校正テストでは、2 台のカメラ間の速度測定値の差が 1% 未満であることが示されました。カメラは、新しい画像が古い画像を上書きする連続録画モードで操作されました。カメラはポストトリガーモードでトリガーされました。衝撃イベントが終了した後、カメラがトリガーされ、トリガー前の数秒間に取得された画像を保存できるようになりました。

2000 × 2000 のピクセルマトリクスを備えた 225 kV マイクロフォーカスフラットパネル検出器 (Varex 2520DX) を備えた Nikon X 線 CT システムを使用して、ポリイミドエアロゲルの内部を観察しました。 CT スキャンは、衝突したエアロゲルブロックに対して実行されました。 X 線エネルギーと電流パラメーターは、それぞれ 110 kV と 75 μA に設定されました。 CT スキャンは、1080 の投影画像を体積画像に再構成した後、有効ボクセルサイズが 70.3 μm/ボクセルでした。最後に、視覚化と後処理のために、ボリューム画像が ORS Dragonfly ソフトウェアにロードされました。

軌道上デブリ封じ込め用に設計された、軽量かつ低体積で、粒子の閉じ込め、速度の減速、エネルギー散逸を実現する先進的な材料が必要とされています。重大な衝撃時の封じ込めやエネルギー吸収を目的としたシールドシステム内の現在の材料には、複雑な構造サポートとかなりの質量および嵩密度が必要です。その結果、がれき修復に関する複数の問題に対処するために、コスト、重量、体積を同時に削減する必要があります。ここでは、軽量で機械的に強いポリイミドエアロゲルの弾道性能を、真空チャンバーと球体に接続されたヘリウム充填ガスガンを使用して、150 ～ 1300 ms-1 のさまざまな速度での一連の衝撃試験を通じて研究しました。鋼鉄の発射体。これらのエアロゲルは、わずか 0.2 g cm-2 の低い面密度で衝撃速度範囲全体にわたって堅牢な弾道性能を示しました。たとえば、吸収されたエネルギーの割合は、発射体の衝突速度が 1283 ms-1 の場合、約 18% でした。これらのエアロゲルは、低密度の耐衝撃性材料として、二次デブリ雲を減速/捕捉するための詰め物ホイップルシールドのスタンドオフスペーシング材料として使用できる大きな可能性を示します。これにより、これらのシールドシステムの質量と容積が大幅に節約される可能性があります。その他の潜在的な用途は、軍用ヘルメットや敏感な機器のシールドなど、弾道修復要件のある分野に及びます。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文 (およびその補足情報ファイル) に含まれています。

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S. Malakooti は、NASA との契約に基づいてオークリッジ関連大学が運営する NASA グレン研究センターの NASA ポスドクプログラムに感謝の意を表します。また、Launchspace Technologies Corporation と宇宙技術ミッション総局内のゲームチェンジング開発プログラムのこの研究への財政的支援にも感謝します。また、このプロジェクトにおいてご支援をいただいた Aerogel Technologies, LLC にも感謝の意を表します。 H. Lu は、受賞番号 CMMI-1636306 および CMMI-1726435 に基づく NSF、契約 DE-NA-0003525 に基づく米国エネルギー省国家核安全保障局、およびルイス A. ビーチャールジュニア寄付理事長の支援を認めます。

材料および構造部門、NASA グレン研究センター、21000 Brookpark Road、Cleveland、OH、44135、米国

サデク・マラクーティ、ステファニー・L・ヴィヴォッド、マイケル・ペレイラ、チャールズ・R・ルジェリ、デュアン・M・レヴィロック

テキサス大学ダラス校機械工学部、リチャードソン、テキサス州、75080、米国

ルンユー・チャン & ホンビン・ルー

大学宇宙研究協会、7178 Columbia Gateway Drive、コロンビア、メリーランド州、21046、米国

郭海泉、ダニエル・A・シャイマン、リンダ・S・マッコークル

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SM、SLV、MP がこの研究を発案しました。 SM と SLV は合成を設計し、サンプルを準備しました。 CRR、DMR、SM、MP は衝撃実験を実施し、結果の解釈に貢献しました。 RZ、SM、HL はサンプルの X 線マイクロトモグラフィーを実施し、結果の解釈に貢献しました。 SM、HG、DAS、および LSM は、化学的および物理的な材料の特性評価を実行し、結果の解釈に貢献しました。 SMとSLVが原稿草稿を書きました。著者全員が原稿をレビューし、改訂しました。

Sadeq Malakooti または Stephanie L. Vivod との通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Malakooti, S.、Vivod, SL、Pereira, M. 他弾道衝撃保護のためのポリイミドエアロゲル。 Sci Rep 12、13933 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-18247-z

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受信日: 2022 年 4 月 29 日

受理日: 2022 年 8 月 8 日

公開日: 2022 年 8 月 17 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18247-z

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