Kompozyt z Novel Ames Lab

Kompozyt z Novel Ames Lab może zastąpić zubożony uran.

czyli nanostrukturalne materiały oferują bezpieczne dla środowiska możliwości przeciwpancerne.

AMES,Iowa – Przeciwpancerne pociski wykonane ze zubożonego uranu powodowały niepokój* pomiędzy żołnierzami, którzy ich używali i którzy je magazynowali.Teraz naukowcy w U.S. Department of Energy's Ames Laboratory są blisko opracowania nowego kompozytu z wewnętrzną strukturą przypominającą lody przekładane pofalowaną polewą**, który jest złożony z materiałów bezpiecznych dla środowiska, by jeszcze lepiej spełniał swe zadanie.

DanSordelet, główny naukowiec Ames Laboratory prowadzi zespół badawczy, który syntetyzuje nanowarstwy wolframu i szkła metalicznego aby zbudować pocisk przeciwpancerny. „Kiedy pocisk wchodzi głębiej w pancerz, jego kawałki są ścinane, co pomaga mu uzyskać zaostrzone dłutowato ostrze na końcu penetratora***”, powiedział Sordelet. „Szkło metaliczne oraz wolfram są obojętne dla środowiska i eliminują obawy zdrowotne związane z zagrożeniem toksycznością i promieniowaniem zubożonego uranu”.

Stopy oparte na zubożonym uranie są tradycyjnie używane w produkcji masywnych,metalowych pocisków znanych jako penetratory energii kinetycznej (KEPs) .Połączenie dużej gęstości ((~18.6 gramów na centymetr sześcienny) i twardości**** czynią zubożony uran (ZU) idealnym***** materiałem do zastosowań balistycznych. Ponadto ZU jest szczególnie dobrze predysponowany do wykorzystania jako KEP, gdyż jego złożona struktura krystaliczna powoduje efekt zwany przez naukowców lokalizacją ścinania****** lub mikropasmami ścinania*******, kiedy jest plastycznie deformowany. Innymi słowy, kiedy penetratory wykonane z ZU uderzają w cel z wielką prędkością, ulegają deformacji i reagują „samoostrzeniem”.

„Tojest bardzo pożądane, żeby mieć takie właściwości równocześnie z wysoką gęstością i dlatego właśnie ZU jest stosowany, ale od początku Wojny w Zatoce w1991 jest duże zapotrzebowanie na jego zastąpienie.” powiedział Sordelet.

Popularnym zamiennikiem dla ZU jest wolfram ponieważ przy jego gęstości 19,3 gramów na centymetr sześcienny jest on nawet nieco cięższy niż ZU. Jednak wolfram ma bardzo prostą krystaliczną strukturę znaną jako centralnie skupioną strukturę sześcienną********. „Jeśli zrobię taki sam pocisk z wolframu i plastycznie go zdeformuję, otrzymam kształt grzyba skierowany kapeluszem ku miejscu, gdzie pocisk uderzył, ponieważ wolfram jest bardzo oporny na formowanie mikropasmścinania”, wyjaśnił Sordelet. „To można porównać do wzięcia cukierka toffi********* i podjęcia próby wbicia go w ścianę – otrzymacie efekt grzyba.”

Sordelet powiedział, że badacze od 15 lat szukają sposobów, by stosować wolfram.Stworzyli ciężkie stopy wolframu, przykładowo W-Fe-Ni (wolfram-żelazo-nikiel),w nadziei uzyskania mikropasm ścinania w czasie potężnych deformacji, ale nie osiągnięto dotąd zadowalających rezultatów. „Jest kilka typów penetratorów opartych na wolframie, ale nie są one równie skuteczne jak ZU” – stwierdził.

Przez ostatnie lata, mówi Sordelet, badania koncentrowały się na połączeniu wolframu ze znaczącą ilością szkieł metalicznych, ponieważ materiały te, jako konsekwencję braku uporządkowanej siatki atomów, są naturalnie podatne na wystąpienie mikropasm ścinania. „Problem w tym, że nikt nie uzyskał ekonomicznie dostępnego szkła metalicznego, które by miało wystarczającą gęstość, aby formować z niego pociski mogące konkurować z ZU”, powiedział.„Uzyskuje się wszelkie różnorodne, interesujące struktury, ale wszystkie zawierają granulki wolframu o średnicy mikrona albo większe, a to prowadzi z powrotem do efektu grzybowatego odkształcenia.”

Sordelet mówi, że idealną drogą byłoby wykonanie całego penetratora z kompozytu uformowanego z metalicznego szkła wzmocnionego nanokryształami wolframu, gdyż badacze z Johns Hopkins University i Army Research Laboratory zademonstrowali ostatnio, że kiedy wielkość ziaren wolframu zredukuje się do skali nanometrów,jego zdolność do zlokalizowanego ścinania znacząco wzrasta. Tak więc Sordelet i jego współpracownicy: Ryan Ott, Min Ha Lee oraz Doug Guyer zdecydowali się użyć sposobu mechanicznego mielenia, aby zredukować rozmiar ziaren wolframu i ściśle połączyć je w submikronowej skali ze szkłem metalicznym.

„Najpierwte dwa składniki fizycznie połączyliśmy w wirówce a potem mechanicznie zmieliliśmy mieszaninę, by stworzyć cząsteczki kompozytu,” wyjaśnił Sordelet. Zgodnie z jego słowami cząsteczki kompozytu składają się w nanoskali z odrębnych warstw wolframu i szkła metalicznego, niesamowicie podobnych do lodów przekładanych warstwami pofalowanej polewy. „Co było zadziwiające dla nas to fakt, że w czasie formowania struktury kompozytowego proszku, podczas nakładania jego nanowarstw, nic nie zmieniało się w innych warstwach” powiedział. „Metale niełączyły się ze sobą – nie zachodziło żadne stapianie się, a struktura metalicznego szkła pozostawała nie zmieniona. Odstępy między warstwami i ziarniste struktury są nadzwyczajnie małe.”

W testach małych naprężeń (niewielkich odkształceń), nanostrukturalny kompozyt Sordeleta metaliczne szkło+wolfram wykazuje skłonność do zlokalizowanego ścinania. „Fakt, że zjawisko występuje w niskich naprężeniach jest bardzo znaczący,” mówi Sordelet. „To jest niesamowicie sugestywne, żeby było można je zobaczyć w warunkach dynamicznej deformacji, jak również jest właśnie tym, co jest potrzebne dla KEP.”

Sordeletjest optymistą w sprawie potencjału nanostrukturalych kompozytów metaliczne szkło+ wolfram, nie tylko jako przyszłych KEP, ale również w rozwoju podobnych kompozytów dla super precyzyjnych mechanizmów z zaawansowanych materiałów.Ponieważ jednak gęstość typowych szkieł metalicznych jest dosyć mała, wie on,że trzeba osiągnąć poziom około 70 % wolframu w kompozycie, co uczyni nowe materiały atrakcyjnymi poprzez osiągnięcie gęstości akceptowanej przez jego kolegów z Army Research Laboratory.

Rozważając ten problem, Sordelet mówi: „Co jeśli zastąpimy szkło czymś, co ma wyższą gęstość i też ma skłonność to zlokalizowanego ścinania? Metaliczne szkło jest właśnie takim materiałem ze względu na jego silną skłonność do wystąpienia wspomnianego efektu,” zauważa. „Prace prowadzone w Army Research Lab i w Johns Hopkins University pokazały jednak, że wiele metali z centralnie skupioną strukturą przestrzenną ma zdolność do zlokalizowanego ścinania, jeśli osiągnie się wystarczająco małe rozmiary ziaren.” Tu jest właśnie sedno, Sordelet teraz szuka połączeń wolframu z innymi metalami o dużej gęstości ale to już całkiem inna historia.

DOE Office of Science Basic Energy Sciences Office finansowała wyżej opisane prace nad syntezą i konsolidacją nanostrukturalnego proszku kompozytu szkła metalicznego. Dalsze badania są wspierane przez subkontrakt z Kennametal Inc. wkooperacji z U.S. Army Research Laboratory.

Ames Laboratory jest prowadzone dla DOE przez ISU. Laboratorium prowadzi badania w różnorodnych obszarach interesów narodowych USA, włączając źródła energii,projektowanie superszybkich komputerów, oczyszczanie i rekonstrukcję środowiska oraz syntetyzowanie i studia nad nowymi materiałami. Więcej informacji o Ames Laboratory można znaleźć na www.ameslab.gov.

Opracował:Andrew Vysotsky

[Źródło:Novel Ames Lab composite may replace depleted uranium,  EurekAlert!, 31.01.2007]

*Całkiem bezpodstawnie. Amunicji takiej używała już Panzerwaffe w czasie II Wojny Światowej.Amunicja zawierająca penetratory ze zubożonego uranu nie rodzi zagrożenia promieniotwórczością. W miejscu użycia takiej amunicji, czyli w miejscu trafienia, teoretycznie może nastąpić zatrucie (chemiczne) osób, w następstwie czego pierwszym poważnym skutkiem jest uszkodzenie nerek, jednak jest to zagrożenie dla celu i jego otoczenia a nie dla oddziałów używających tego typu amunicji. Miejsca, gdzie użyto tej amunicji są bardzo szkodliwe ale to powód do obaw dla ekologów i mieszkańców rejonów przylegających do pól bitewnych a nie dla żołnierzy, którzy jej używają. (przyp. tłum).

**(oryg.) fudge-ripple ice cream

***W chwili obecnej istnieje kilka zasadniczych rodzajów pocisków przeciwpancernych.Pociski wykorzystujące do rażenia energię kinetyczną składają się zwykle conajmniej z części zewnętrznej, zapewniającej kształt optymalny przy pokonywaniu oporu powietrza, odrzucanej w trakcie lotu lub traconej w momencie uderzenia w cel, i penetratora, czyli elementu przeznaczonego do przebicia pancerza celu.Penetrator ma zwykle wygląd mocno wydłużonego grota. Ze wzoru na energię kinetyczną wynika, że o jego skuteczności decyduje masa i prędkość, a z wzorów na opory ruchu wynika również kształt, który dodatkowo powinien zapewniać maksymalnie mały przekrój penetratora w miejscu zaatakowania pancerza (przyp.tłum.)

****Uran-238w skali twardości Vickersa jest na drugim miejscu po wolframie (poza rzadko występującym metalem jakim jest osm). Jest 1,75 razy twardszy niż tytan i 3razy twardszy niż żelazo. Twardość ZU w pociskach przeciwpancernych zwiększa się jeszcze przez dodanie do stopu np. 0,75% tytanu (przyp.tłum.)

*****Inne zalety uranu jako materiału do produkcji penetratorów amunicji p.panc.: Uranjest piroforyczny, co oznacza, że w postaci rozdrobnionej samoczynnie zapala się w obecności powietrza. W praktyce po trafieniu powoduje więc dodatkowe efekty w postaci zapalenia paliwa i amunicji w niszczonym pojeździe.Stwierdzono jego do skuteczność w takich zastosowaniach jak niszczenie podziemnych magazynów paliwa i amunicji, hangarów oraz składów np. broni biologicznej i chemicznej. Uran-238 jest łatwiejszy w obróbce niż twardszy od niego wolfram, który charakteryzuje się znacznie wyższą temperaturą topnienia (3422 °C) niż uran (1132 °C). Ponadto ZU jest tańszy i bardziej dostępny niż wolfram.

******(oryg.)shear localization

*******(oryg.)shear bands

********Jeden atom położony centralnie i otoczony innymi ułożonymi na planie siatki w kształcie sześcianu (przyp. tłum.)

*********W oryg. Tootsie Roll - mało znana u nas marka amerykańskich cukierków, pierwotnie produkowana głównie w wersji o smaku czekoladowym, w kształcie cylinderków zawiniętych w papier, twarda, odporna na zmiany temperatury i wilgotności,obecnie w różnych smakach, przypomina twardsze odmiany naszych tofii (przyp.tłum)