Simulation-Guided Design of Shear-Thickening-Fluid-Filled 3D-Printed Sandwich Composite Panels for Ballistic Protection
تُظهر هذه الدراسة استراتيجية موجهة بالمحاكاة لتصميم ألواح مركبة شطائرية مملوءة بسائل متزايد اللزوجة ومطبوعة ثلاثية الأبعاد مع تعزيز بألياف الكيفلار، والتي تقلل بشكل كبير من تشوه الوجه الخلفي وتعزز امتصاص الطاقة البالستية مقارنة بالهياكل التقليدية المكونة من الكيفلار فقط.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
إن حماية جسم الإنسان من الاصطدامات عالية السرعة هي عملية توازن شكلت تحدياً للمهندسين لعقود من الزمن. والهدف هو إيقاف المقذوف دون نقل قوة كافية لإصابة الشخص الذي يرتدي الدرع. تعتمد دروع الجسم اللينة التقليدية على طبقات من الأنسجة القوية للغاية، والتي غالباً ما تُصنع من ألياف الأراميد مثل "كيفلار"، والتي تعمل على التقاط الطاقة وتمديدها لامتصاصها. ومع ذلك، فإن جعل هذا الدرع أكثر سمكاً لإيقاف الرصاص الأسرع أو الأكبر حجماً غالباً ما يجعله صلباً وثقيلاً، مما يحد من حركة مرتديها. ولحل هذه المشكلة، اتجه العلماء إلى فئة من المواد تسمى السوائل ذات التغلظ بالقص (shear-thickening fluids). وهي سوائل تتصرف بشكل طبيعي عند تحريكها ببطء، لكنها تتحول فوراً إلى مادة صلبة وكثيفة عند تعرضها لقوة مفاجئة، لتعمل كجسم صلب فقط عند الحاجة. ويكمكم التحدي في كيفية تثبيت هذه السوائل في مكانها ودمجها مع الأقمشة المرنة بطريقة تزيد من الحماية دون إضافة ضخامة.
لقد اتبع فريق من الباحثين في جامعة مينغ تشي للتقنية والجامعة الوطنية للدفاع في تايوان نهجاً جديداً لهذه المشكلة عبر التعامل مع البنية الداخلية للدرع كمتغير تصميمي وليس مجرد وعاء. فبدلاً من مجرد نقع القماش في السائل أو حشوه في نمط خلية نحل قياسي، استخدموا محاكاة حاسوبية لتحديد مدى انتشار طاقة الاصطدام عبر المادة بدقة. ثم استخدموا تلك المعلومات لطباعة نوى خلوية مخصصة بتقنية ثلاثية الأبعاد ذات تباعد محدد، وملؤها بالسائل المتغلظ بالقص، ووضعها بين طبقات من "كيفلار". ويشير عملهم إلى أن شكل وحجم المساحات الفارغة التي تحمل السائل لا يقل أهمية عن السائل نفسه في إيقاف الرصاصة وحماية ظهر مرتدي الدرع.
بدأ الباحثون بإجراء عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة لفهم كيفية انتقال الطاقة عندما يصطدم مقذوف بطبقة من "كيفلار" مدعومة بسائل متغلظ بالقص. كانوا يبحثون عن مسافة محددة: ما هو المدى الذي يقوم فيه السائل بعمله فعلياً بعيداً عن مركز الاصطدام؟ كشفت عمليات المحاكاة أن حوالي ثمانين بالمائة من الطاقة التي امتصها السائل كانت متركزة داخل دائرة يبلغ عرضها حوالي عشرة مليمترات حول نقطة الاصطدام. قدم هذا الاكتشاف قاعدة فيزيائية لتصميمهم؛ فإذا كانت المساحات التي تحمل السائل كبيرة جداً، فقد لا يتم تقييد السائل بما يكفي ليعمل بفعالية، وإذا كانت صغيرة جداً، فقد يصبح الهيكل صلباً بشكل غير ضروري. وباستخدام قياس العشرة مليمترات هذا كدليل، قرر الفريق بناء نوعين من النوى الخلوية بتباعد مختلف: أحدهما بفاصل عشرة مليمترات والآخر بفاصل عشرين مليمتراً.
لتحويل هذه التصاميم إلى واقع، استخدم الفريق عملية تصنيع أطلقوا عليها اسم "الطباعة-الملء-الختم" (print–fill–seal). أولاً، قام الفريق بطباعة نوى خلوية مرنة باستخدام مادة تسمى "إيثيلين-فينيل أسيتات"، وهي مادة مشابهة للرغوة الموجودة في العديد من الأحذية الرياضية. وقد صنعوا شكلين متميزين لهذه النوى؛ الأول كان نمط خلية النحل التقليدي، المعروف بصلابته وقدرته على نقل الأحمال عبر مساحة واسعة. والثاني كان نمطاً مستوحى من حراشف السمك، يتكون من وحدات متداخلة ومجزأة يمكنها الانحناء والدوران بحرية أكبر، محاكيةً المرونة الموجودة في الدروع الطبيعية مثل حراشف السمك أو قوقعة المدرع (armadillo). وبمجرد طباعتها، تم ملء الأجزاء العلوية المفتوحة لهذه الهياكل الخلوية بمزيج من جزيئات السيليكا الصغيرة وبوليمر سائل. وأخيراً، تم طباعة طبقة رقيقة من نفس المادة المرنة فوق الجزء العلوي لإغلاق السائل بالداخل، مما خلق لوحة مستقلة مملوءة بالسائل جاهزة للاختبار.
اختبر الفريق بعد ذلك كيف تتصرف هذه اللوحات تحت ظروفين مختلفين: الانحناء البطيء والاصطدام عالي السرعة. عندما قاموا بثني اللوحات ببطء، أثبتت هياكل خلية النحل أنها أكثر صلابة بكثير، حيث قاومت الانحناء بقوة أكبر بكثير من تصاميم حراشف السمك. أما لوحات حراشف السمك، بجدرانها الأرق ووحداتها المجزأة، فقد انحنت بسهولة أكبر، مما أظهر درجة عالية من الامتثال الهيكلي. وعند إضافة السائل المتغلظ بالقص، أصبحت جميع اللوحات أكثر صلابة قليلاً، لكن الفرق في المرونة بين التصميمين ظل واضحاً. وقد أكد هذا أن هندسة النواة يمكن ضبطها لتكون صلبة أو مرنة، بشكل مستقل عن السائل الموجود بداخلها.
جاء الاختبار الحقيقي عندما أطلق الباحثون مقذوفات من مسدس عيار 9 ملم على اللوحات بسرعات تتراوح بين 334 إلى 430 متراً في الثانية تقريباً. وقاموا بقياس "بصمة خلف الوجه" (back-face signature)، وهي عمق الانبعاج الذي يتركه الاصطدام في كتلة من الطين اللين موضوعة خلف الدرع. ويعني الانبعاج الأعمق انتقال قوة أكبر إلى المرتدي، مما قد يسبب إصابة خطيرة حتى لو لم يخترق الرصاص الدرع. ترك درع "كيفلار" القياسي، بدون أي سائل أو نواة خلوية، انبعاجاً بعمق 34.01 ملم. وعندما أضاف الباحثون النوى الخلوية المملوءة بالسائل، أصبحت الانبعاجات أقل عمقاً بكثير. وكان التكوين الأكثر نجاحاً هو لوحة حراشف السمك ذات التباعد البالغ عشرين ملمتراً والمملوءة بالسائل المتغلظ بالقص؛ حيث قلل هذا التصميم المحدد عمق الانبعاج إلى 7.53 ملم فقط، وهو تحسن هائل مقارنة بالدرع القياسي. ومن المثير للاهتمام أن تصاميم خلية النحل، رغم كونها أكثر صلابة عند الانحناء، لم تؤدِ بشكل جيد في منع تشوه خلف الوجه مثل تصميم حراشف السمك الأكثر مرونة.
تشير النتائج إلى أن أفضل حماية لا تأتي من جعل الدرع صلباً قدر الإمكان، بل من السماح للهيكل بالتشوه بطريقة محكومة. فقد سمحت هندسة حراشف السمك المرنة لطاقة الاصطدام بالانتشار على مساحة أوسع، بينما يعمل السائل داخل الخلايا على التغلظ فوراً لمقاومة الحركة. هذا المزيج من توزيع الأحمال بواسطة "كيفلار"، والتشوه بواسطة النواة المرنة، والمقاومة الموضعية للسائل، خلق نظاماً يمتص الطاقة بكفاءة دون نقل ضربة ثقيلة إلى المرتدي. وتشير الدراسة إلى أنه من خلال استخدام المحاكاة الحاسوبية لإيجاد الحجم المناسب للخلايا الداخلية، يمكن للمهندسين تصميم دروع خفيفة الوزن وعالية الفعالية في آن واحد، مما يثبت أن شكل الفراغ الموجود داخل الدرع هو عامل حاسم في الحفاظ على سلامة الناس.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.