المواد المعتمدة على الجرافين: اختراق ثوري في خفيفة وزن معدات الحماية العسكرية

1 - تخفيف وزن معدات الحماية العسكرية: متطلبات تكتيكية تحتاج إلى اختراق عاجل

في مجال الحماية العسكرية ، من أجل تحقيق تأثير مثالي مضاد للرصاص ، عادة ما يكون للمعدات المقاومة للرصاص خصائص كونها سميكة وثقيلة.السماكة المفرطة و الوزن من المعدات المقاومة للرصاص سيكون لها العديد من الآثار السلبية على تنفيذ التكتيكاتعلى سبيل المثال، عندما يرتدي الجنود معدات ثقيلة مضادة للرصاص،وسيكون من الصعب عليهم إكمال الإجراءات التكتيكية بسرعة مثل الزحف إلى الأمام والانتقال السريعفي نفس الوقت، وزن المعدات المفرط سيزيد من الاستهلاك البدني للجنود ويقصر وقت القتال المستمر في ساحة المعركة. how to minimize the thickness and weight of bulletproof equipment to the greatest extent while ensuring that the bulletproof performance is not reduced has become a key issue that the military field focuses on and urgently needs to solve.

اكتشاف الاختراق من جامعة نيويورك: تأثير صلابة اثنين من طبقات الجرافين

(1) الهيكل الدقيق والخصائص الميكانيكية الممتازة للجرافين

دعونا أولاً نلقي نظرة متعمقة على هذه المادة المدهشة، الجرافين. التحليل من البنية المجهرية، الجرافين يتكون من ذرات الكربون.يتم ربط ذرات الكربون هذه أولاً ببعضها البعض لتشكيل بنية ورقية ذات طبقة واحدة تشبه حشرة العسلهذا الهيكل الفريد يمنح الجرافين قوة عالية للغاية. بعد ذلك ، يتم تجميع طبقات متعددة من هذه الأوراق فوق بعضها البعض لتشكيل الشكل الكلي للجرافين.

(2) البحث والتطوير وتحسين أداء مواد الديامين

فريق البحث بقيادة الأستاذة (إليسا ريدو) ، مع مفهوم التصميم الفريد،بذكاء ربطت صفحتين من الجرافين من طبقة واحدة إلى هيكل الكربيد السيليكوني ونجحت في تطوير مادة جديدة - الديامينهذه المادة لها خصائص فريدة للغاية: في حالة طبيعية، فهي خفيفة وناعمة مثل ورق الألومنيوم، مما يجعلها سهلة الحمل والتشغيل.لكن عندما يواجه قوة خارجية مفاجئة، سوف يغير حالته على الفور، وتزداد صلابة بشكل حاد، حتى أصعب من الماس.
هذه المادة الجديدة نشأت في البداية من فكرة عبقرية من البروفيسور المشارك أنجلو بونجيورنو.قام بتصميم وبناء نموذج حاسوبي بعناية وأثبت نظرياً أن التوافق الدقيق لطبقتين رقيقتين يمكن أن يحقق تأثير قوة فائقةقام فريق ريدو باختبار عينات حقيقية من خلال محاكاة سيناريوهات تأثير القوى الخارجية، و في النهاية التحقق من جدوى هذا الاستنتاج.

آخر تقدم في البحوث: في ديسمبر 2024,أظهرت الأبحاث التي نشرها فريق ريدو في أبحاث الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة تأثير إلكترونيات الإجهاد من الجرافين البصري ثلاثي الطبقاتيمكن للمناطق المكدسة ABA / ABC التي يتم تجميعها ذاتياً على رصيف كربيد السيليكون تحقيق التحكم الدقيق في الخصائص الإلكترونية عن طريق تنظيم ترتيب الطبقة الوسطى.على الرغم من أن هذا البحث يركز على الأجهزة الإلكترونية، يقدم الاختراق في تكنولوجيا محاذاة الطبقات بينها طريقًا جديدًا لتحسين أداء مواد الديامين المقاومة للرصاص.مثل تعزيز استقرار مقاومة الصدمة من خلال تحسين اتساق الطبقة المتداخلة.

الاختراق التقني لجامعة رايس: آلية امتصاص الطاقة في الهيكل المتراكم من طبقات متعددة من الجرافين

العلماء في جامعة رايس وجدوا طريقة أخرى في المجال ذي الصلة واستخدموا بنجاح 300 طبقة من الجرافين المتراكم لاستيعاب طاقة الاصطدام من "الكرات الدقيقة".البحوث في هذا الاتجاه تكمل تأثير صلابة الطبقتين في جامعة نيويورك وتعزز بشكل مشترك تطوير المواد الخفيفة المقاومة للرصاص.
اختراق فني: في سبتمبر 2024، أدركت تقنية Flash Joule Heating (FJH) التي طورها فريق جيمس M. Tour في جامعة رايس إنتاج الجرافين على نطاق واسع منخفض التكلفة.هذه التكنولوجيا يمكنها تحويل نفايات الكربون إلى جرافين عالي الجودة في غضون ثانية واحدة، مع تكلفة الطاقة الكهربائية من 7.2 كيلوجول فقط لكل جرام ومعدل عيب منخفض للغاية،بشأن وضع الأساس للتطبيق الصناعي للهيكل المتراكم من 300 طبقة من الجرافينعلى سبيل المثال ، يمكن تحسين كفاءة امتصاص الطاقة من خلال تحسين ترتيب الطبقة الوسطى.

من المختبر إلى ساحة المعركة: عملية تسويق مواد غرافين المقاومة للرصاص

(1) حالة التسويق: من أبحاث المواد والتطوير إلى تنفيذ المنتج
في سبتمبر 2024، وقعت بريمير جرافين اتفاقية تعاون بقيمة تزيد عن 50 مليون دولار مع شركة الدفاع الذري، تخطط لإنتاج 140،000 قطعة من سترات الجرافين المقاومة للرصاص ودروع طائرات الهليكوبتر.منتجاتهم تستخدم مواد الجرافين القائمة على القنب، تلبية معايير الحماية على مستوى الفضاء الجوي الأمريكي، مما يمثل خطوة رئيسية لمواد غرافين مقاومة للرصاص من المختبر إلى الإنتاج على نطاق واسع.

(2) ديناميكيات المعارض الصناعية: تنفيذ التكنولوجيا يدخل مرحلة الاختبار
أشار معرض شنغهاي الدولي للمواد المقاومة للرصاص لعام 2025 إلى أن القدرة الوقائية للسترات المقاومة للرصاص من الجرافين قد وصلت إلى ضعف قدرة المواد التقليدية الكيفلار.و انخفض الوزن بأكثر من 30%في الوقت الحالي، دخل مرحلة الاختبار بالفئات الصغيرة. The graphene-reinforced silicon carbide ceramic armor displayed at the Chongqing Civil-Military Dual-Use New Materials Exhibition held at the same time has increased the impact resistance performance by 20% through the addition of graphene powder، مما يعكس إمكانات التطبيق العملي للجرافين في الدروع المركبة.

(3) اتجاه تكامل التكنولوجيا: الابتكار التعاوني بين المواد
The development roadmap formulated by the European Union Defense Agency shows that the composite material of graphene and ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) has entered the live-fire testing stage and is expected to be officially deployed within 3-5 yearsهذا الابتكار التعاوني بين المواد يجمع بين قوة عالية من الجرافين مع مرونة المواد البوليمرية التقليديةفتح اتجاه جديد لتحسين الأداء الشامل للمعدات المقاومة للرصاص.

الخامسة: آفاق المستقبل: جيل جديد من مواد الحماية الذكية والمستدامة

البحوث حول المواد المقاومة للرصاص من الجرافين تتعمق في اتجاهين رئيسيين:
التصميم الذكي: فريق من جامعة نيويورك يستكشف الجمع بين خصائص صلابة صلابة الديامين مع خوارزميات التعلم الآلي،تعديل هيكل المواد بشكل ديناميكي من خلال مراقبة معايير القوة الخارجية في الوقت الحقيقي لتحقيق تحسين ذكي في كفاءة الحماية;

الإنتاج المستدام: تستخدم تكنولوجيا FJH بجامعة رايس مصادر الكربون النفايات لإنتاج الجرافين، مما يعزز تحول المواد المقاومة للرصاص نحو التصنيع الأخضر.مع مراعاة احتياجات تحسين الأداء وحماية البيئة.

في الختام، فإن البحث والتطوير وتطبيق المواد القائمة على الجرافين توفر طريقًا جديدًا تمامًا لخفيفة الوزن وأداء عال لمعدات الحماية العسكرية.مع الانتشار التدريجي للشوائب التقنية وتسارع عملية التسويق، جيل جديد من المعدات الخفيفة ضد الرصاص من المتوقع أن تحقق تغيير ثوري في ساحة المعركة في المستقبل،مما يؤدي إلى تحسين هائل لحماية الجنود وقدراتهم التكتيكية.