مواد مبتنی بر گرافن: یک پیشرفت انقلابی در سبک‌سازی تجهیزات حفاظت نظامی

I. کاهش وزن تجهیزات دفاعی نظامی: الزامات تاکتیکی که به سرعت نیاز به پیشرفت دارند

در زمینه حفاظت نظامی، به منظور دستیابی به یک اثر ضد گلوله ای ایده آل، تجهیزات ضد گلوله معمولا ویژگی های ضخامت و سنگین بودن را دارند.ضخامت و وزن زيادي از تجهیزات ضد گلوله تاثيرات نامطلوب زيادي بر اجرای تاکتيک ها خواهد داشتبه عنوان مثال، وقتی سربازان تجهیزات ضد گلوله سنگین بپوشند، تحرک آنها به شدت کاهش می یابد،و براي اونا سخته که به سرعت عمليات تاکتيکي مثل حرکت به جلو و انتقال سريع رو انجام بدندر عین حال، وزن بیش از حد تجهیزات مصرف فیزیکی سربازان را افزایش می دهد و زمان مبارزه مداوم آنها را در میدان نبرد کوتاه می کند. 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.

۲. کشف موفقیت آمیز دانشگاه نیویورک: اثر سختی دو لایه گرافین

(1) میکروساخت و خواص مکانیکی عالی گرافین

بیایید ابتدا نگاهی عمیق به این ماده شگفت انگیز، گرافن بیندازیم. تحلیل از ساختار میکروسکوپی، گرافن از اتم های کربن تشکیل شده است.این اتم های کربن ابتدا به یکدیگر متصل می شوند تا یک ساختار تک لایه ای مانند عسل را تشکیل دهنداین ساختار منحصر به فرد گرافن را با قدرت بسیار بالا به ارمغان می آورد. در نتیجه، چندین لایه از چنین ورق هایی در بالای یکدیگر قرار می گیرند تا شکل کلان گرافن را تشکیل دهند.

(2) تحقیق، توسعه و بهینه سازی عملکرد مواد الماس

گروه تحقیقاتی که توسط پروفسور الیزای ریدو رهبری می شود، با مفهوم طراحی منحصر به فرد خود،به طور هوشمندانه دو لایه ی تک لایه ی گرافین را به ساختار کربید سیلیکون متصل کرده و با موفقیت یک ماده ی جدید - دیامین - را توسعه داده انداین ماده دارای خواص بسیار منحصر به فرد است: در حالت عادی، آن را به عنوان سبک و نرم به عنوان ورق آلومینیوم، که باعث می شود آن را آسان به حمل و استفاده است.اما وقتی که به طور ناگهانی با یک نیروی خارجی مواجه می شود، بلافاصله حالت خود را تغییر می دهد، و سختی آن به شدت افزایش می یابد، حتی سخت تر از الماس.
این ماده ی جدید در ابتدا از ایده ی هوشمندانه ی پروفسور "آنجلو بونیورنو" سرچشمه گرفت.اون با دقت مدل کامپيوتري رو طراحي و ساخت و از لحاظ نظري نشان داد که هم ترازي دقيق دو لايه نازک مي تونه تاثيري فوق العاده قوي داشته باشهتیم ریدو نمونه های واقعی را با شبیه سازی سناریوهای ضربه نیروی خارجی آزمایش کرد و سرانجام امکان پذیر بودن این نتیجه گیری را تأیید کرد.

آخرین پیشرفت تحقیقات: در دسامبر 2024،تحقیقات منتشر شده توسط تیم ریدو در پروسیڈنگ آکادمی ملی علوم ایالات متحده نشان داد که اثر الکترونیک کشش گرافین سه لایه epitaxial. مناطق ABA / ABC خود را بر روی زیربنای کربید سیلیکون جمع می کنند می توانند کنترل دقیق خواص الکترونیکی را با تنظیم ترتیب بین لایه ها به دست آورند.اگرچه این تحقیق بر دستگاه های الکترونیکی تمرکز دارد، پیشرفت در فناوری تراز بین لایه ها راهی جدید برای بهینه سازی عملکرد ضد گلوله مواد الماس فراهم می کند.مانند افزایش ثبات مقاومت به ضربه با بهبود سازگاری بین لایه ها.

III. پیشرفت فنی دانشگاه رایس: مکانیسم جذب انرژی ساختار انباشته شده لایه های متعدد گرافین

دانشمندان دانشگاه رایس راه دیگری را در این زمینه پیدا کرده اند و با موفقیت از ۳۰۰ لایه گرافین انباشته شده برای جذب انرژی ضربه "میکروکوره" استفاده کرده اند.تحقیقات در این جهت مکمل اثر سخت سازی دو لایه دانشگاه نیویورک است و به طور مشترک توسعه مواد ضد گلوله سبک را ترویج می کند..
پیشرفت فنی: در سپتامبر سال 2024، تکنولوژی Flash Joule Heating (FJH) که توسط تیم جیمز M. Tour در دانشگاه رایس توسعه یافته است، تولید مقیاس بزرگ گران قیمت گرافن را تحقق بخشید.این تکنولوژی می تواند زباله های کربن را در عرض یک ثانیه به گرافن با کیفیت بالا تبدیل کند، با هزینه انرژی الکتریکی تنها 7.2 کیلوجول در هر گرم و نرخ نقص بسیار پایین،برای ایجاد پایه ای برای کاربرد صنعتی ساختاری که از ۳۰۰ لایه گرافن ساخته شده استبه عنوان مثال، بهره وری جذب انرژی می تواند با بهینه سازی ترتیب بین لایه ها بهبود یابد.

IV. از آزمایشگاه به میدان نبرد: فرآیند تجاری سازی مواد ضد گلوله گرافین

(1) مورد تجاری سازی: از تحقیق و توسعه مواد تا پیاده سازی محصول
در سپتامبر سال 2024، نخست وزیر گرافین با شرکت Defense Atomics یک توافق نامه همکاری با ارزش بیش از 50 میلیون دلار امضا کرد و برنامه ریزی برای تولید 140،000 قطعه از جلیقه های ضد گلوله گرافین و زره های هلیکوپتر را انجام داد.محصولات آنها از مواد گرافن مبتنی بر قند استفاده می کنند، که مطابق با استانداردهای حفاظت در سطح هوافضا آمریکا است، نشان دهنده یک گام کلیدی برای مواد ضد گلوله گرافن از آزمایشگاه به تولید در مقیاس بزرگ است.

(2) پویایی نمایشگاه های صنعتی: پیاده سازی فناوری در مرحله آزمایش
نمایشگاه بین المللی مواد ضد گلوله شانگهای 2025 اشاره کرد که توانایی محافظت از جلیقه های ضد گلوله گرافین به دو برابر مواد سنتی kevlar رسیده است.و وزن بیش از ۳۰ درصد کاهش یافته است.در حال حاضر، وارد مرحله آزمایش دسته کوچک شده است. 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، که نشان دهنده پتانسیل کاربرد عملی گرافن در زره کامپوزیت است.

(3) روند ادغام فناوری: نوآوری همکاری متقابل
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 yearsاین نوآوری همکاری متقابل مواد، قدرت بالا گرافین را با انعطاف پذیری مواد پلیمر سنتی ترکیب می کند.افتتاح یک جهت جدید برای بهبود عملکرد جامع تجهیزات ضد گلوله.

V. چشم انداز آینده: یک نسل جدید از مواد محافظتی با هوش و پایداری

تحقیقات در مورد مواد ضد گلوله گرافین در دو جهت اصلی در حال افزایش است:
طراحی هوشمند: تیم دانشگاه نیویورک در حال بررسی ترکیب ویژگی های سخت شدن ضربه ی دیامین با الگوریتم های یادگیری ماشین است.تنظیم پویا ساختار مواد با نظارت در زمان واقعی بر پارامترهای نیروی خارجی برای دستیابی به بهبود هوشمند در کارایی حفاظت;

تولید پایدار: فناوری FJH دانشگاه رایس از منابع کربن زباله برای تولید گرافن استفاده می کند و تحول مواد ضد گلوله به سمت تولید سبز را ترویج می کند.با توجه به نیازهای بهبود عملکرد و حفاظت از محیط زیست.

در نتیجه، تحقیق، توسعه و استفاده از مواد مبتنی بر گرافن یک مسیر کاملا جدید برای سبک وزن و عملکرد بالا از تجهیزات حفاظت نظامی فراهم می کند.با عبور تدریجی از تنگنای فنی و تسریع روند تجاری سازیانتظار می رود که یک نسل جدید از تجهیزات ضد گلوله سبک به یک تغییر انقلابی در میدان نبرد آینده دست یابد.که باعث بهبود چشمگیری در حفاظت از سربازان و توانایی های اجرای تاکتیکی آنها می شود..