Aerogeles de poliimida para protección contra impactos balísticos

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 13933 (2022) Citar este artículo

2079 Accesos

2 citas

3 Altmetric

Detalles de métricas

El rendimiento balístico de los bloques de aerogel de poliimida monolíticos con sujeción en los bordes (12 mm de espesor) se ha estudiado mediante una serie de pruebas de impacto utilizando una pistola de gas llena de helio conectada a una cámara de vacío y un proyectil de acero esférico (de aproximadamente 3 mm de diámetro) con un rango de velocidad de impacto de 150–1300 ms−1. Los aerogeles tenían una densidad aparente promedio de 0,17 g cm-3 con una alta porosidad de aproximadamente el 88 %. Se estimó que la velocidad límite balística de los aerogeles estaba en el rango de 175–179 ms−1. Además, los aerogeles mostraron un sólido rendimiento de absorción de energía balística (p. ej., a la velocidad de impacto de 1283 ms−1 se absorbió al menos el 18 % de la energía de impacto). A bajas velocidades de impacto, los aerogeles fallaron por el agrandamiento dúctil del orificio seguido de una falla por tracción. Por el contrario, a altas velocidades de impacto, los aerogeles fallaron a través de un proceso de cizallamiento adiabático. Dado el rendimiento balístico sustancialmente robusto, los aerogeles de poliimida tienen el potencial de combatir múltiples limitaciones, como las restricciones de costo, peso y volumen en aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales con requisitos de alta resistencia a explosiones y rendimiento balístico, como en escudos Whipple rellenos para aplicaciones de contención de desechos orbitales. .

Los desechos orbitales son residuos de objetos lanzados que todavía están en órbita alrededor de la tierra1. La fuente más común de escombros proviene de las explosiones de objetos espaciales que generan partículas típicamente en tamaños milimétricos2. Debido a sus altas velocidades, durante décadas, los desechos orbitales se han considerado una de las amenazas más importantes para la seguridad de los vuelos espaciales3. La velocidad de impacto está en el rango de 7–10 km s−1 en órbita terrestre baja4. Esta amenaza es ahora aún mayor con el aumento de la actividad espacial mundial5. Por lo tanto, desarrollar un sistema de escudo ligero pero efectivo contra partículas a hipervelocidad es crucial para cualquier misión de exploración espacial.

En este sentido, Fred Whipple, en la década de 1940, propuso un sistema de escudo de desechos orbitales para naves espaciales que consistía en una delgada lámina protectora de sacrificio y una pared trasera gruesa separada por una cierta distancia6,7. El papel de la lámina protectora de sacrificio es romper los escombros y formar una nube de escombros. El grosor de la pared trasera debe ser suficiente para soportar el impulso de la explosión de la nube de escombros. Además, para mejorar el rendimiento de blindaje de los escudos Whipple, generalmente se rellenan con telas de alta resistencia, como varias capas de telas Nextel y Kevlar7.

Actualmente, los escudos Whipple rellenos se utilizan principalmente en la Estación Espacial Internacional (ISS) para la contención de desechos orbitales8. Por lo general, en la ISS, los parachoques son Al 6061-T6 de 2 mm de espesor, las paredes traseras son Al 2219-T87 o Al 2219-T851 de 4,8 mm de espesor y los materiales de relleno son 6 capas de Kevlar 29 estilo 710 con 6 capas de Tejidos Nextel AF62 a diferentes distancias entre sí7,9. La distancia total entre la pared del parachoques y la pared trasera es de más de 11 cm sin espacio entre materiales. La configuración de diseño actual se basa esencialmente en maximizar la relación resistencia-peso del interior del escudo. Sin embargo, este diseño sigue siendo voluminoso y se puede mejorar con más reducciones no solo en el peso total sino también en el volumen total del escudo. Un enfoque destacado es el uso de materiales resistentes a los impactos de baja densidad en el espacio de separación de los escudos Whipple rellenos para desacelerar/capturar nubes de escombros secundarias en sus microestructuras10. El uso de materiales resistentes a los impactos de baja densidad como aumento del escudo interior ofrece un aumento en el rendimiento balístico de los materiales de relleno. Esto también permite una reducción en el grosor de la pared trasera de metal pesado del sistema de protección, así como una reducción en el espacio de separación entre el parachoques Whipple y la placa trasera, lo que podría generar ahorros significativos de masa y volumen.

Históricamente, las partículas cósmicas de hipervelocidad, como los cometas y las partículas de polvo interestelar a una velocidad típica de 6 km s−1, fueron capturadas por aerogeles de sílice y devueltas a la Tierra a través de la misión Stardust de la NASA11,12. Unos años más tarde, los aerogeles de sílice también se utilizaron en la órbita terrestre baja de la Estación Espacial Internacional como detector pasivo para detectar y cuantificar cráteres13. Al devolver las muestras de aerogel a la tierra, contenían una gran cantidad de desechos. Vale la pena mencionar que, aunque el tamaño de las partículas y los desechos recolectados fue de solo unas pocas decenas de micras, estos estudios son indicativos de la factibilidad de contención balística de alto potencial en materiales de aerogel. Dado que los aerogeles de sílice son extremadamente frágiles y sus propiedades mecánicas, incluidos los módulos de flexión y de Young, son tan bajas, su capacidad de contención de micropartículas a hipervelocidad se atribuye a sus microestructuras altamente tortuosas formadas por una aglomeración aleatoria de nanopartículas de sílice, así como a sus altas áreas superficiales específicas. Sin embargo, una partícula de escombros del tamaño de un milímetro tiene mil millones de veces más energía cinética que una partícula esférica del tamaño de una micra con una densidad y velocidad de impacto similares. Por lo tanto, los frágiles aerogeles de sílice no son efectivos como aplicación de remediación de contención de escombros para escombros de tamaño milimétrico debido a sus débiles propiedades mecánicas14.

Alternativamente, se pueden sintetizar aerogeles poliméricos con una microestructura altamente tortuosa y mesoporosa con excelentes propiedades mecánicas a una densidad aparente similar a las correspondientes a los aerogeles de sílice15,16,17,18,19,20. Los aerogeles de polímero exhiben una alta ductilidad con propiedades mecánicas como el módulo de Young órdenes de magnitud superiores a los valores correspondientes para los aerogeles de sílice21,22,23,24. La aparición de aerogeles poliméricos condujo a un cambio de paradigma en nuestra visión de la mecánica de los materiales de aerogel25. Entre muchos aerogeles poliméricos, los aerogeles de poliimida de alto rendimiento se han implementado en varias aplicaciones aeroespaciales y aeronáuticas debido a sus fuertes propiedades mecánicas y su excelente integridad estructural a altas temperaturas15,26,27,28,29.

Con estos antecedentes en mente, la intención principal de este trabajo es investigar el rendimiento balístico de una clase de aerogeles de poliimida mecánicamente fuertes a través de una serie de pruebas de impacto balístico a varias velocidades. Los experimentos se realizaron utilizando una pistola de gas llena de helio conectada a una cámara de vacío y un proyectil de acero esférico (3,175 mm de diámetro). Los resultados de este trabajo ayudarán en el diseño y la fabricación de nuevos sistemas avanzados de escudos Whipple rellenos para futuras misiones de exploración espacial. En consecuencia, los geles de poliimida se sintetizaron a través de un proceso sol-gel utilizando cantidades estequiométricas de dianhídrido piromelítico (PMDA) y 2,2′-dimetilbencidina (DMBZ) en N-metil-2-pirrolidona (NMP) para crear una solución de ácido poliámico. oligómeros. Estos oligómeros se imidizaron por medios químicos a temperatura ambiente utilizando anhídrido acético (AA) como eliminador de agua y trietilamina (TEA) como catalizador base. Los oligómeros imidizados se reticularon adicionalmente utilizando tricloruro de 1,3,5-bencenotricarbonilo (BTC) comercialmente disponible. La ruta de reacción de la síntesis del aerogel de poliimida se muestra en la Fig. 1. En el paso final, los geles se intercambiaron con solvente en terc-butanol de alta pureza, que luego se congeló de forma amorfa e isocórica por debajo de la temperatura ambiente y posteriormente se sublimó bajo un flujo. de gas seco a presión atmosférica, eliminando la necesidad de un recipiente de vacío.

Síntesis química de los aerogeles de poliimida.

Para este estudio se prepararon doce muestras de aerogel de poliimida con formulaciones químicas idénticas (concentración de polímero al 10% en peso con \(n=40\), el número de unidades repetidas) con dimensiones nominales de 76,2 mm × 76,2 mm × 12 mm. La densidad aparente, la porosidad, la contracción y el espesor real de las muestras de aerogel de poliimida se enumeran en la Tabla 1. La densidad aparente promedio de las muestras fue de 0,17 g cm−3. La variación de densidad (desviación estándar del 12 %) se debe al cambio en las tasas de sublimación de la muestra en diferentes lugares de secado. Además, no se observó ningún signo de contracción durante los procesos de envejecimiento e intercambio de disolvente. La contracción lineal total media de las muestras con respecto a sus moldes fue del 18,8%. Se midió que la densidad esquelética de los aerogeles era de 1,46 g cm−3. Utilizando las densidades esquelética y aparente, se calculó que la porosidad de las muestras era del 88,3 %. En la contracción más baja (el PI-3 con una contracción del 15 %, consulte la Tabla 1), la muestra tiene una porosidad cercana al 90 %. En la contracción más alta (el PI-12 con una contracción del 24 %, consulte la Tabla 1), la porosidad de la muestra es del 85,6 %.

La morfología de los aerogeles se estudió utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM). La Figura 2 muestra las imágenes SEM de una muestra de aerogel de poliimida (PI-7) con una densidad aparente de 0,16 g/cm3 a diferentes aumentos. Las micrografías de aerogel exhiben una microestructura fibrosa altamente entrelazada y tortuosa con un diámetro de fibra promedio de 11,37 nm. La distribución del tamaño del diámetro de la fibra se muestra como un recuadro en la Fig. 2. La microestructura juega un papel importante en el rendimiento de la disipación de energía. Para los polímeros vítreos, el principal mecanismo de disipación de energía proviene del desenredo intermolecular y la escisión molecular30. Por lo tanto, los sistemas poliméricos con microestructuras fibrosas altamente entrelazadas, como en el caso de este estudio, generalmente superan a sus contrapartes con microestructuras de partículas para aplicaciones de absorción de energía mecánica, incluida la mitigación de energía de impacto.

Micrografías SEM representativas a diferentes aumentos para los aerogeles de poliimida con una densidad aparente de 0,16 g/cm3 (\(n=\) 40, 10 % p/p). La distribución del tamaño del diámetro de la fibra del aerogel también se muestra en el recuadro.

Usando espectroscopía FTIR, se identificaron los enlaces químicos de los aerogeles de poliimida. La Figura 3A muestra el espectro FTIR de una muestra de aerogel de poliimida (PI-6). Las absorciones identificadas (cm−1) son las siguientes: la imida carbonilo (C=O) en 1721 (s), la imida CN en 1366 (s), los bencenos sustitutos de PMDA y DMBZ en 1103 (m) y 816 ( m), y la imida en 725 (m)31. La Figura 3B muestra el espectro de RMN de 13C representativo de los aerogeles de poliimida. El espectro tiene un pico a 167,1 ppm, que es indicativo de la imida carbonilo, los picos aromáticos entre 110 y 140 ppm, y el pico a 18,7 ppm se asigna a los grupos metilo de DMBZ32.

(A) FTIR representativo y (B) Espectros de RMN 13C CPMAS de estado sólido de aerogeles de poliimida.

La estructura porosa de los aerogeles de poliimida se estudió mediante mediciones de sorción de N2, como se muestra en las figuras 4A y B33. Los aerogeles son principalmente mesoporosos con un área de superficie específica alta de alrededor de 566 m2 g−1. El tamaño medio de poro de los aerogeles que utilizan desorción BJH es de 16,84 nm (consulte la Fig. 4B). El área de superficie grande es indicativa de una distribución de tamaño de poro estrecha de acuerdo con la Fig. 4B.

(A) Gráfico de isoterma de sorción de N2 representativo a 77 K, y (B) Distribución de tamaño de poro BJH de aerogeles de poliimida.

Las propiedades de degradación térmica de los aerogeles también se estudiaron utilizando análisis termogravimétrico (TGA) y termogravimetría derivada (DTG) como se muestra en la Fig. 5. Existe una ligera pérdida de masa (aproximadamente 5 %) al comienzo de la señal TGA a ~ 300 ° C. Esto podría deberse a la eliminación de la humedad o cualquier solvente atrapado del proceso de secado a presión ambiental. El inicio de la descomposición se presentó entre 459 y 507 °C. La tasa de pérdida de masa aumenta significativamente después de la temperatura de descomposición (también un cambio significativo en los valores de DTG). Los residuos de peso sólido a 700 °C son aproximadamente 50% y 65% en atmósfera de aire y nitrógeno, respectivamente.

Gráficos representativos de TGA y DTG de los aerogeles de poliimida.

El módulo de Young de los aerogeles a una velocidad de deformación baja (es decir, 0,01 s–1) también se midió a temperatura ambiente. La curva tensión-deformación típica de las muestras de aerogel de poliimida en compresión se muestra en la Fig. 6. El comportamiento de compresión de los aerogeles de poliimida sigue tres etapas: deformación elástica, compactación y densificación. No se observó pandeo en la muestra bajo compresión. Se encontró que el módulo de Young de los aerogeles a 0,16 g cm−3 era de unos 139 MPa. Esto se considera un módulo alto para un material de tan baja densidad aparente25. El módulo específico de estos aerogeles (es decir, el módulo por unidad de densidad) es de 0,87 × 106 m2 s-2, que es tres órdenes de magnitud superior a los valores correspondientes a las espumas poliméricas típicas de alta densidad, como la espuma de látex (0,0002 × 106 m2 s- 2) y el doble de alto que las espumas de aluminio de última generación, como Duocel® (0,47 × 106 m2 s−2), con una densidad aparente similar.

Respuesta de tensión-deformación de compresión uniaxial cuasiestático típica del aerogel de poliimida a una densidad aparente de 0,16 g cm−3.

La respuesta al impacto balístico de los bloques de aerogel se estudió mediante una pistola de gas llena de helio conectada a una cámara de vacío34. La figura 7A muestra el esquema de la configuración experimental. El cañón propulsaba un sabot que transportaba proyectiles esféricos de acero de 3,175 mm de diámetro. Las muestras de aerogel se sujetaron por los bordes utilizando un accesorio de sujeción. Las figuras 7B y C muestran los componentes del dispositivo de sujeción. El tamaño de la ventana de prueba de la muestra es de 50,8 mm por 50,8 mm.

(A) Esquema que muestra los componentes principales de la pistola de gas llena de helio conectada a una cámara de vacío utilizada en este estudio; (B) vista frontal del accesorio de sujeción de muestras con una ventana abierta de 2 pulgadas por 2 pulgadas; y (C) vista despiezada del accesorio de sujeción de muestras que consta de diferentes componentes: (1) placa base, (2) sellos de goma, (3) muestra de prueba, (4) soporte frontal y (5) abrazaderas mecánicas.

El impacto del proyectil medido y las velocidades de salida y el porcentaje de energía absorbida por los aerogeles a diferentes velocidades se enumeran en la Tabla 2. Las velocidades de impacto del proyectil están en el rango de 150–1300 ms−1. El porcentaje de energía absorbida por los bloques de aerogel se calculó utilizando la proporción de \(\left( {v_{i}^{2} - v_{e}^{2} } \right)/v_{i}^{2} \), donde \(v_{i}\) y \(v_{e}\) son las velocidades de impacto y salida del proyectil, respectivamente.

La figura 8 muestra la velocidad de salida del proyectil en función de la velocidad de impacto del proyectil. Por debajo de la velocidad límite balística, los bloques de aerogel absorben toda la energía cinética del proyectil. Usando la Tabla 1 y la Fig. 8, se estima que la velocidad límite balística de los aerogeles está entre 175 y 179 ms−1.

Velocidad de salida del proyectil medida \({v}_{e}\) como función de la velocidad de impacto del proyectil \({v}_{i}\).

En la Fig. 9 se muestra un ejemplo de una secuencia de fotografías de alta velocidad asociadas con el impacto del proyectil esférico a una velocidad de impacto de 174 ms−1 contra un bloque de aerogel de poliimida (PI-6). El tiempo para cada fotografía está marcado en las cifras con \(t=\) 0 tomadas como el instante del impacto contra la cara frontal del bloque de aerogel. Para esta muestra, a esta velocidad de impacto, el proyectil penetra la cara frontal del bloque de aerogel y luego se refleja desde el bloque a \(t=\) 0,69 ms. Se observa que el proyectil con una velocidad de impacto de 171,53 ms−1 fue detenido y atrapado en el bloque de aerogel PI-8. En la Información de apoyo (Película S1) se proporciona un metraje asociado con el evento de impacto en la muestra PI-6.

Secuencia fotográfica de alta velocidad del impacto del bloque de aerogel de poliimida (PI-6) por un proyectil a la velocidad de impacto de 174 ms−1. También se indica para cada cuadro el tiempo relativo al momento del impacto cuando el proyectil toca la cara frontal del bloque de aerogel.

Las imágenes ópticas tomadas de las caras delantera y trasera de la muestra asociada con la Fig. 9 (PI-6) también se muestran en la Fig. 10A y B, respectivamente. Durante el proceso de impacto se produce un intercambio de energía entre el proyectil y el blanco. La energía cinética del proyectil se intercambia en parte con un aumento en la energía interna y la deformación del material (lo que resulta en la falla del material) en el objetivo o se pierde en forma de material erosionado. Como el proyectil es suficientemente más fuerte y rígido que el aerogel, la reducción de la energía cinética del proyectil solo se atribuye a la deformación y falla del aerogel. La falla del material del aerogel se estudió mediante una serie de microtomografías computarizadas (µ-CT) de rayos X de los bloques de aerogel impactados. La película S2 en la Información de apoyo muestra cortes transversales de la imagen volumétrica escaneada por TC de la muestra de PI-6. La Figura 10C muestra una representación 3D del bloque de aerogel PI-6 impactado. Esta imagen muestra un daño material localizado en la zona de impacto del bloque de aerogel PI-6. En la figura 10D también se muestra una vista ampliada de la sección transversal de la zona de impacto del PI-6. Las zonas de alta densidad (material comprimido) se muestran más brillantes que las zonas de material intacto. Los aerogeles a bajas velocidades de impacto experimentaron una falla dúctil. El proyectil crea un agujero más grande que su diámetro en la cara frontal del bloque PI-6. Se estimó que la velocidad de la onda de presión de los aerogeles era de aproximadamente 930 ms−1 calculada utilizando el módulo de Young y la densidad aparente del aerogel. Por lo tanto, la velocidad de la onda de presión es mayor que la velocidad de impacto del proyectil (174 ms−1). Las figuras 10C y D muestran que el orificio de la cara frontal aumentó de ancho hasta el punto en que se detuvo el proyectil. El diámetro del nido de proyectiles dentro del material es muy cercano al diámetro del proyectil. Además, se formó una grieta circunferencial debido a una falla por tracción probablemente por un esfuerzo de tracción generado por el proyectil justo después de la penetración.

(A) El frente y (B) las caras traseras del bloque de aerogel PI-6 después del impacto; (C) Una representación 3D de la sección transversal del bloque de aerogel PI-6 impactado; y (D) Una vista ampliada de la sección transversal de la zona de impacto de PI-6 (las dimensiones están en mm). La barra de escala es de 1 pulg.

La falla del material de los aerogeles a altas velocidades de impacto de proyectiles es diferente. Como ejemplo, el bloque de aerogel PI-1 fue impactado por un proyectil con una velocidad de impacto de 1283,5 ms−1. Las Figuras 11A y B muestran las imágenes ópticas tomadas de las caras delantera y trasera del bloque de aerogel, respectivamente. A esta velocidad, el sabot también falló y se rompió en pedazos por su impacto en el tapón del sabot, y por lo tanto, el bloque de aerogel experimentó un impacto secundario por las piezas del sabot que volaban libremente después del impacto del proyectil. Los puntos negros en la cara frontal del bloque de aerogel están asociados con los impactos de las piezas del casquillo (consulte la Fig. 11A). Se midió que la profundidad de penetración media del impacto relacionado con el sabot era de 1,56 mm a partir del análisis de µ-CT del bloque de aerogel PI-1 impactado (ver Fig. 11C). La película S3 en la Información de apoyo muestra cortes transversales de la imagen volumétrica escaneada por TC de la muestra de PI-1. En contraste con la muestra PI-6, a altas velocidades, la falla del material del aerogel es un corte puro (un proceso de corte adiabático). La Figura 11D muestra la representación 3D de µ-CT del bloque de aerogel impactado en la sección transversal de la zona de impacto. Muestra un agujero cilíndrico prolijo con un diámetro interior ligeramente mayor que el diámetro del proyectil.

(A) El frente y (B) las caras traseras del bloque de aerogel PI-1 después del impacto; (C) la representación 3D de µ-CT de las piezas de sabot después de penetrar en la cara frontal del bloque de aerogel PI-1; y (D) la representación 3D µ-CT de la sección transversal de la zona de impacto PI-1. La barra de escala es de 1 pulg.

El desempeño general de absorción de energía balística en términos de porcentaje de energía absorbida por los bloques de aerogel de poliimida impactados en función de la velocidad de impacto del proyectil se muestra en la Fig. 12. En el rango de las velocidades de impacto del proyectil en este estudio, el desempeño balístico del Los bloques de aerogel exhiben dos regímenes. Inicialmente, al aumentar la velocidad de impacto del proyectil hasta aproximadamente 900 ms−1, la energía absorbida cae a medida que el proyectil penetra a través de los bloques de aerogel sin absorción de energía adicional por estiramiento por tracción. Después de 900 ms−1, la energía absorbida aumenta ligeramente debido a la fragmentación de los bloques de aerogel y posiblemente a una fusión parcial. Las caras delantera y trasera del bloque de aerogel PI-9 impactado por un proyectil con una velocidad de 921,65 ms−1 que muestran la fragmentación del objetivo se muestran en el recuadro de la Fig. 12. En general, los aerogeles muestran una capacidad mínima de absorción de energía del 20 %. en este estudio.

El rendimiento de absorción de energía balística de los bloques de aerogel de poliimida en función de la velocidad de impacto del proyectil. El recuadro muestra las caras delantera y trasera del bloque de aerogel PI-9 impactado por un proyectil con una velocidad de 921,65 ms−1.

PMDA y DMBZ se adquirieron de Chriskev (Lenexa, KS). TEA y AA se adquirieron de Sigma Aldrich. BTC se adquirió de Sigma-Aldrich. NMP, acetona, terc-butanol se adquirieron de Fisher Scientific. Todos los materiales se utilizaron tal como se recibieron. Sin embargo, después de períodos cortos de exposición atmosférica, los dianhídridos requirieron secado al vacío a 120 °C durante 24 h.

Se preparó un aerogel de poliimida usando PMDA como dianhídrido, DMBZ como diamina y BTC como reticulante con una longitud de cadena de n = 40 y una concentración de polímero de 10% p/p. La formulación se produjo como sigue. Se añadió DMBZ (7,57 g, 35,67 mmol) a una solución de 115 ml de NMP. Esto se agitó durante aproximadamente 15 min hasta que la diamina se disolvió por completo. Luego se añadió PMDA (7,59 g, 34,80 mmol) a esta solución y se agitó durante 10 min hasta que el dianhídrido se disolvió por completo. La solución se volvió de un color marrón rojizo turbio cuando se añadió el dianhídrido y gradualmente se volvió de un color amarillo pálido transparente. Se añadieron anhídrido acético (26,32 ml, 278 mmol) y trietilamina (4,85 ml, 34,78 mmol) al ácido poli(ámico) como catalizadores para iniciar la imidización. Esta solución se agitó durante aproximadamente 10 min para incorporar completamente los monómeros para la imidización química, volviéndose extremadamente viscosa después de 5 min de agitación. El reticulante BTC (0,154 g, 0,58 mmol), previamente disuelto en 7,57 ml de NMP, se añadió a la solución de polímero y se agitó durante 1–2 min a bajas rpm (150) para evitar la creación de burbujas de aire en la solución viscosa, y luego se vierte en moldes para gelificar. La gelificación se produjo en 45 min. Después de la síntesis del gel y el envejecimiento (24 h), el gel se intercambió con el solvente en terc-butanol sumergiéndolo en cinco baños secuenciales de terc-butanol puro. El volumen del baño fue aproximadamente cinco veces mayor que el del gel y el intercambio de solvente se realizó a aproximadamente 40 °C. Después del intercambio de solventes, el gel se transfirió a una cámara de secado a presión ambiente, donde se enfrió por debajo del punto de congelación del terc-butanol (es decir, 26 °C). En estas condiciones, el terc-butanol congelado dentro del gel se sublima en lugar de evaporarse, evitando así las fuerzas dañinas de tensión superficial que surgen en la interfase líquido-vapor. Se proporcionó un flujo continuo de aire desecado a la cámara de secado, de modo que la concentración de terc-butanol en la cámara se mantuvo baja y el gel continuó secándose por sublimación. El proceso continuó hasta que se eliminó todo el terc-butanol del gel, momento en el que el aerogel seco se retiró del secador y se devolvió a la temperatura ambiente.

La espectroscopia infrarroja de reflectancia total atenuada (ATR) se realizó utilizando un espectrómetro Nicolet Nexus 470 FT-IR. El espectro de RMN de 13C sólido del aerogel de poliimida se obtuvo en un espectrómetro Bruker AVANCE-300 con una sonda sólida de 4 mm utilizando polarización cruzada y rotación de ángulo mágico a 11 kHz. La porosimetría de sorción de nitrógeno se llevó a cabo en un analizador de distribución de tamaño de poro/área superficial ASAP 2000 (Micromeritics Instrument Corp.). Las densidades aparentes se determinaron a partir del peso y las dimensiones físicas de las muestras. La densidad esquelética se midió usando un picnómetro de helio Accupyc 1340 (Micromeritics Instrument Corp.). El análisis termogravimétrico (TGA) se realizó utilizando un instrumento TA modelo 2950 HiRes. Las muestras se procesaron a una velocidad de rampa de temperatura de 10 °C por minuto desde temperatura ambiente hasta 750 °C bajo nitrógeno o aire. La microscopía electrónica de barrido (SEM) se realizó en un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo Hitachi S-4799-11 usando muestras recubiertas con oro/paladio. Se realizaron ensayos de compresión cuasiestáticos en un sistema de ensayo mecánico Instron (Instron Inc., modelo 5969, Norwood, MA) con una celda de carga de 500 N (con una precisión del 0,5 % de la lectura). La tasa de compresión se fijó en 0,5 mm min−1. Para los ensayos de compresión se utilizaron muestras cilíndricas de 20 mm de diámetro y 12 mm de altura.

Las pruebas de impacto se llevaron a cabo utilizando una pistola de gas llena de helio conectada a una cámara de vacío. El cañón de la pistola está hecho de acero dulce y tiene un diámetro de 23 pies y 2 pulgadas. Un proyectil esférico de acero (cojinete de bolas de acero endurecido) con 0,125 de diámetro se colocó en un sabot cilíndrico de policarbonato. El helio en el recipiente a presión se presurizó a la presión requerida. El proyectil y el sabot se aceleraron hacia abajo por el cañón del arma liberando helio a alta presión usando un disco de explosión que consistía en un alambre de nicromo intercalado entre dos o más láminas de Mylar®, cada una con un espesor nominal de 0,005 pulgadas. El cañón del arma sobresalía en el cámara de vacío que contenía el accesorio para los especímenes. Los sabots se fabricaron de forma aditiva utilizando una impresora 3D (Markforged Onyx Pro, Markforged Inc., Watertown, MA). Fueron diseñados para aumentar la rigidez específica. Los zuecos se imprimieron con un filamento de nailon infundido con fibra de carbono (Onyx, Markforged Inc., Watertown, MA) con capas inferiores compuestas de fibra de vidrio continua (Fiberglass, Markforged Inc., Watertown, MA) para mayor resistencia. El diseño redujo la masa total del paquete acelerado al mismo tiempo que podía soportar la aceleración extrema. Un orificio cónico ubicado al final del cañón captura y redirige el material del sabot mientras permite que el proyectil continúe a lo largo de la trayectoria de vuelo. El orificio cónico también ventila la presión restante en el arma radialmente hacia afuera para minimizar las fuerzas sobre el objetivo. La velocidad de impacto del proyectil y la velocidad de salida (en el caso de penetración) se midieron utilizando dos cámaras de alta velocidad (Photron SA-Z, Photron Inc., Tokio, Japón). Las cámaras se calibraron antes de la prueba de impacto utilizando una varilla de aluminio que sobresalía del cañón del arma con marcas de calibración ubicadas en cada pulgada. Estas cámaras proporcionaron vistas laterales de la parte delantera y trasera del espécimen. Además, se colocó una cámara separada (Photron SA-Z, Photron Inc., Tokio, Japón) en la parte superior de la cara frontal de la muestra para una investigación cualitativa del proceso de impacto. La velocidad del proyectil se midió rastreando la posición del centro de masa del proyectil en cinco lugares diferentes antes y después del impacto. Las pruebas de calibración en las que no se montó ningún panel indicaron que las diferencias en las mediciones de velocidad entre las dos cámaras estaban muy por debajo del 1 %. Las cámaras se operaron en un modo de grabación continua de modo que las imágenes nuevas sobrescribieran las imágenes antiguas. Las cámaras se dispararon en modo post-disparo: después de que terminó el evento de impacto, la cámara se disparó para permitirle guardar las imágenes adquiridas en unos segundos antes del disparo.

Para observar el interior de los aerogeles de poliimida se utilizó un sistema de TC de rayos X de Nikon equipado con un detector de panel plano de microfoco de 225 kV (Varex 2520DX) con una matriz de píxeles de 2000 × 2000. La tomografía computarizada se realizó en los bloques de aerogel impactados. La energía de rayos X y los parámetros de corriente se establecieron en 110 kV y 75 μA, respectivamente. Las tomografías computarizadas tenían un tamaño de vóxel efectivo de 70,3 μm/vóxel después de la reconstrucción de 1080 imágenes de proyección en la imagen volumétrica. Finalmente, la imagen volumétrica se cargó en el software ORS Dragonfly para su visualización y posprocesamiento.

Existe la necesidad de materiales avanzados diseñados para la contención de desechos orbitales que sean livianos y de bajo volumen que ofrezcan confinamiento de partículas, desaceleración de la velocidad y disipación de energía. Los materiales actuales dentro de un sistema de escudo para la contención durante un impacto crítico o la absorción de energía requieren soportes estructurales complejos y una masa y densidad aparente sustanciales. Esto da como resultado la necesidad de reducir el costo, el peso y el volumen juntos para combatir los múltiples problemas con la remediación de escombros. En este documento, se estudió el rendimiento balístico de una clase de aerogeles de poliimida ligeros y mecánicamente fuertes a través de una serie de pruebas de impacto a varias velocidades, de 150 a 1300 ms−1, utilizando un cañón de gas lleno de helio conectado a una cámara de vacío y un cilindro esférico. proyectil de acero Estos aerogeles mostraron un sólido rendimiento balístico en todo el rango de velocidades de impacto con una baja densidad de área de solo 0,2 g cm−2. Por ejemplo, el porcentaje de energía absorbida fue de aproximadamente 18% a la velocidad de impacto del proyectil de 1283 ms−1. Como material resistente a impactos de baja densidad, estos aerogeles exhiben un gran potencial para ser utilizados como material espaciador separador en los escudos Whipple rellenos para desacelerar/capturar nubes de escombros secundarias. Esto conduciría potencialmente a ahorros significativos de masa y volumen en estos sistemas de blindaje. Sus otras aplicaciones potenciales abarcan áreas con requisitos de remediación balística, como cascos militares y protección de equipos sensibles.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado (y sus archivos de información complementaria).

Informe Interagencial sobre Desechos Orbitales. Washington, DC (1995).

Naciones Unidas. Asamblea General. Comisión sobre la utilización del espacio ultraterrestre con fines pacíficos. Subcomité Científico y Técnico 46. En Technical Report on Space Debris (1999).

Liou, JC & Johnson, NL Riesgos en el espacio por los desechos en órbita. Ciencias (80). 311 (5759), 340–341 (2006).

Artículo CAS Google Académico

Olivieri, L. & Francesconi, A. Evaluación y optimización de grandes constelaciones en entornos de basura espacial LEO. Adv. esp. Res. 65(1), 351–363. https://doi.org/10.1016/J.ASR.2019.09.048 (2020).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Werner, D. Global Space Economy Swells in Spite of the Pandemic (consultado el 17 de enero de 2022); https://spacenews.com/space-report-2021-space-symposium/

Whipple, FL & Whipple, LF Meteoritos y viajes espaciales. AJ 52, 131. https://doi.org/10.1086/106009 (1947).

Artículo Google Académico

Arnold, J. et al. Manual para el diseño de protección MMOD (2009).

Shawcross, P. Protegiendo la Estación Espacial de Meteoroides y Escombros Orbitales. Adv. Astronauta. ciencia 94, 93–97. https://doi.org/10.17226/5532 (1997).

Artículo Google Académico

Kalinski, ME Análisis de impacto de hipervelocidad de Whipple de la Estación Espacial Internacional y escudos de Whipple rellenos mejorados, Escuela Naval de Posgrado, Monterey, CA (2004).

Ryan, S. & Christiansen, EL Pruebas de impacto a hipervelocidad de materiales y estructuras avanzados para la protección de micrometeoritos y desechos orbitales. Acta Astronauta. 83, 216–231. https://doi.org/10.1016/J.ACTAASTRO.2012.09.012 (2013).

Artículo ADS CAS Google Académico

Brownlee, D. La misión del polvo de estrellas: análisis de muestras del borde del sistema solar. año Rev. Planeta Tierra. ciencia 42, 179–205. https://doi.org/10.1146/ANNUREV-EARTH-050212-124203 (2014).

Artículo ADS CAS Google Académico

Brownlee, DE et al. La misión STARDUST: Devolver muestras de cometas a la Tierra. M&PSA 32, A22 (1997).

Google Académico

Woignier, T., Duffours, L., Colombel, P. & Durin, C. Materiales de aerogeles como colectores de basura espacial. Adv. Mate. ciencia Ing. 2013, 5. https://doi.org/10.1155/2013/484153 (2013).

Artículo Google Académico

Ayten, A. İ, Taşdelen, MA & Eki̇ci̇, B. Una investigación experimental sobre la eficiencia balística de aerogeles reticulados a base de sílice en tejido de aramida. Cerámica. En t. 46(17), 26724–26730. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2020.07.147 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Meador, MAB et al. Aerogeles de poliimida flexibles y mecánicamente resistentes reticulados con triamina aromática. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 4(2), 536–544. https://doi.org/10.1021/am2014635 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Meador, MAB, Capadona, LA, McCorkle, L., Papadopoulos, DS y Nicholas, L. Relaciones estructura-propiedad en nanoestructuras 3D porosas en función de las condiciones de preparación: aerogeles de sílice reticulados con isocianato. química Mate. 19(9), 2247–2260. https://doi.org/10.1021/CM070102P (2007).

Artículo CAS Google Académico

Bang, A., Buback, C., Sotiriou-Leventis, C. & Leventis, N. Aerogeles flexibles de poliuretanos hiperramificados: prueba del papel de la rigidez molecular con poli (uretano acrilatos) versus poli (uretano norbornenos). química Mate. 26(24), 6979–6993. https://doi.org/10.1021/cm5031443 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Malakooti, S. et al. Aerogeles similares a metamateriales para la mitigación de vibraciones de banda ancha. Materia blanda https://doi.org/10.1039/d1sm00074h (2021).

Artículo PubMed Google Académico

Wang, YT et al. Enfoque ecológico para mejorar la resistencia y la resistencia a la llama de los aerogeles de poli(alcohol vinílico)/arcilla: incorporación de gelatina de base biológica. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 9(48), 42258–42265. https://doi.org/10.1021/ACSAMI.7B14958/SUPPL_FILE/AM7B14958_SI_001.PDF (2017).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Wang, YT et al. Enfoque eficiente para mejorar la resistencia a la llama de los aerogeles de poli(alcohol vinílico)/arcilla: Incorporación de polifosfato de amonio modificado con piperazina. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 7 (3), 1780–1786. https://doi.org/10.1021/AM507409D/ASSET/IMAGES/MEDIUM/AM-2014-07409D_0010.GIF (2015).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Malakooti, S. et al. Aerogeles de poli(isocianurato-uretano) escalables, hidrofóbicos y altamente estirables. RSC Avanzado. 8(38), 21214–21223. https://doi.org/10.1039/C8RA03085E (2018).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Guo, H. et al. Aerogeles de poliimida reticulados a través de silsesquioxano polioligomérico funcionalizado con amina. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 3(2), 546–552. https://doi.org/10.1021/am101123h (2011).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Taghvaee, T. et al. Índice K: un descriptor, predictor y correlacionador de nanomorfología compleja con otras propiedades materiales. ACS Nano 13(3), 3677–3690. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00396 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Malakooti, S. et al. Aerogeles de polibenzoxazina de bajo costo, secado al ambiente, superhidrofóbicos, de alta resistencia, térmicamente aislantes y térmicamente resistentes. Aplicación ACS. polim. Mate. 1(9), 2322–2333. https://doi.org/10.1021/acsapm.9b00408 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Lu, H., Luo, H. & Leventis, N. Caracterización mecánica de aerogeles Aerogels Handbook 499–535 (Springer, Nueva York, 2011). https://doi.org/10.1007/978-1-4419-7589-8_22.

Libro Google Académico

Sroog, CE Poliimidas. Polímero de progreso. ciencia 1991, 561–694. https://doi.org/10.1016/0079-6700(91)90010-I (1991).

Artículo Google Académico

Meador, MAB et al. Aerogeles de poliimida con enlaces cruzados de amida: una alternativa de bajo costo para aerogeles poliméricos mecánicamente fuertes. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 7(2), 1240–1249. https://doi.org/10.1021/AM507268C (2015).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Malakooti, S. et al. Alta estabilidad termomecánica en aerogeles de polibenzoxazina. ASME Internacional mecánico Ing. Expo Congresos. proc. (IMECE) 2019, 12. https://doi.org/10.1115/IMECE2019-11590 (2019).

Artículo Google Académico

Meador, MAB et al. Aerogeles de poliimida de baja dielectricidad como sustratos para antenas parche ligeras. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 4(11), 6346–6353. https://doi.org/10.1021/am301985s (2012).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Bukowski, C., Zhang, T., Riggleman, RA y Crosby, AJ Enredos de carga en vidrios de polímero. ciencia Adv. 7, 38. https://doi.org/10.1126/SCIADV.ABG9763/SUPPL_FILE/SCIADV.ABG9763_SM.PDF (2021).

Artículo Google Académico

Cashman, JL, Nguyen, BN, Dosa, B. & Meador, MAB Aerogeles de poliimida flexible derivados del uso de un espaciador de neopentilo en la columna vertebral. Aplicación ACS. polim. Mate. 2(6), 2179–2189. https://doi.org/10.1021/ACSAPM.0C00153/SUPPL_FILE/AP0C00153_SI_001.PDF (2020).

Artículo CAS Google Académico

Vivod, SL et al. Hacia una transparencia óptica mejorada de los aerogeles de poliimida. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 12(7), 8622–8633. https://doi.org/10.1021/acsami.9b17796 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Brunauer, S., Emmett, PH & Teller, E. Adsorción de gases en capas multimoleculares. Mermelada. química Soc. 60(2), 309–319. https://doi.org/10.1021/JA01269A023 (2002).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Pereira, JM, Revilock, DM, Ruggeri, CR, Emmerling, WC & Altobelli, DJ Pruebas de impacto balístico de aluminio 2024 y titanio 6Al-4V para el desarrollo de modelos de materiales. J. Aerosp. Ing. 27(3), 456–465. https://doi.org/10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000356 (2014).

Artículo Google Académico

Descargar referencias

S. Malakooti quisiera agradecer al Programa Postdoctoral de la NASA en el Centro de Investigación Glenn de la NASA, administrado por las Universidades Asociadas de Oak Ridge bajo contrato con la NASA. También agradecemos a Launchspace Technologies Corporation y al Game Changing Development Program dentro de Space Technology Mission Directorate por el apoyo financiero de este trabajo. También ofrecemos nuestro agradecimiento a Aerogel Technologies, LLC por su ayuda durante este proyecto. H. Lu agradece el apoyo de la NSF con los números de adjudicación CMMI-1636306 y CMMI-1726435, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU. con el contrato DE-NA-0003525 y el presidente de Louis A. Beecherl Jr..

División de Materiales y Estructuras, Centro de Investigación Glenn de la NASA, 21000 Brookpark Road, Cleveland, OH, 44135, EE. UU.

Sadeq Malakooti, Stephanie L. Vivod, Michael Pereira, Charles R. Ruggeri & Duane M. Revilock

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Texas en Dallas, Richardson, TX, 75080, EE. UU.

Runyu Zhang y Hongbing Lu

Asociación de Investigación Espacial de Universidades, 7178 Columbia Gateway Drive, Columbia, MD, 21046, EE. UU.

Haiquan Guo, Daniel A. Scheiman y Linda S. McCorkle

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

SM, SLV y MP concibieron el estudio. SM y SLV diseñaron la síntesis y prepararon las muestras. CRR, DMR, SM y MP llevaron a cabo los experimentos de impacto y contribuyeron a la interpretación de los resultados. RZ, SM y HL realizaron la microtomografía de rayos X de las muestras y contribuyeron a la interpretación de los resultados. SM, HG, DAS y LSM llevaron a cabo las caracterizaciones químicas y físicas de los materiales y contribuyeron a la interpretación de los resultados. SM y SLV escribieron el borrador del manuscrito. Todos los autores revisaron y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Sadeq Malakooti o Stephanie L. Vivod.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Vídeo complementario 1.

Vídeo complementario 2.

Vídeo complementario 3.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Malakooti, S., Vivod, SL, Pereira, M. et al. Aerogeles de poliimida para protección contra impactos balísticos. Informe científico 12, 13933 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18247-z

Descargar cita

Recibido: 29 Abril 2022

Aceptado: 08 agosto 2022

Publicado: 17 agosto 2022

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

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.