Wraz z zastosowaniem zaawansowanych technologii w działaniach zbrojnych sytuacja w zakresie strat personalnych i majątkowych staje się coraz bardziej złożona. Dlatego też należy przeprowadzić pogłębione badania i zastosowanie materiałów kuloodpornych. Ważnymi kierunkami badań i zastosowań są pancerze ceramiczne i materiały kompozytowe wzmacniane włóknami. Podano przegląd nowej kompozytowej kuloodpornej płyty ceramicznej i aramidowych kuloodpornych materiałów kompozytowych, dokonano porównania nowej kompozytowej kuloodpornej płyty ceramicznej z tradycyjną kuloodporną płytą ceramiczną, a także jej charakterystykę i niektóre problemy, które nadal istnieją w bieżących badaniach i zastosowaniach. analizowane; realizowany jest kuloodporny mechanizm z aramidowego kuloodpornego materiału kompozytowego. Opisać szczegółowo i wskazać główne czynniki wpływające na właściwości użytkowe balistycznych materiałów kompozytowych aramidowych.
01
Nowa kompozytowa ceramiczna płyta kuloodporna
Badania nad pancerzem ceramicznym stanowią ważną część rozwoju i zastosowania kuloodpornych materiałów kompozytowych. Efekt ochrony balistycznej pancerza ceramicznego jest lepszy niż zwykłej stali pancernej. Obecnie najczęściej badanymi i stosowanymi są pancerze pasywne i reaktywne. Jeśli chodzi o mechanizm kuloodporny, materiał pancerza w pancerzu reaktywnym będzie generował energię kinetyczną po wzbudzeniu przez pocisk, a energia kinetyczna reaguje na pocisk, podczas gdy pancerz pasywny opiera się uderzeniu pocisku dzięki swoim własnym właściwościom. Obecnie Stany Zjednoczone, Rosja i inne kraje wykorzystały ceramikę i materiały kompozytowe do opracowania systemów opancerzenia o lepszej wydajności wagowej oraz opracowały pancerz z paneli ceramicznych, który jest szeroko stosowany.
1.1 Mechanizm kuloodporny
Kiedy pocisk uderza z dużą prędkością w kompozytową ceramiczną płytę kuloodporną, zasada siły działania i siły reakcji powoduje, że kula wchodzi z dużą prędkością w płytę kuloodporną, a następnie odbija się z dużą prędkością z przeciwną siłą wewnątrz, tworząc w przybliżeniu okrągła dziura po kuli na powierzchni. Osiąga cel polegający na zniszczeniu jedynie powierzchni płyty kuloodpornej bez powodowania śmiertelnego uszkodzenia całej kompozytowej płyty kuloodpornej, osiągając w ten sposób kuloodporność.
1.2 Parametry użytkowe nowych kompozytowych ceramicznych płyt kuloodpornych
Główne cechy materiałów ceramicznych przedstawiono w tabeli 1.
Materiały ceramiczne charakteryzują się wysoką sztywnością właściwą, wysoką wytrzymałością właściwą i obojętnością chemiczną w wielu środowiskach. Jednocześnie ich mała gęstość, duża twardość i duża wytrzymałość na ściskanie w porównaniu do metali powodują, że są one coraz szerzej stosowane. Aluminium o wysokiej czystości ma wyższą gęstość, niższą twardość i odporność na pękanie, więc jego odporność elastyczna jest niższa; struktura ceramiki z węglika krzemu sprawia, że ma ona wysoką wytrzymałość, wysoką twardość, odporność na zużycie, odporność na korozję, wysoką przewodność cieplną i inne właściwości; Dwuborek tytanu ma wysoki moduł sprężystości; węglik boru ma wysoką temperaturę topnienia, doskonałą twardość i właściwości mechaniczne, a jego gęstość jest najniższą spośród kilku powszechnie stosowanych materiałów ceramicznych. Ponadto moduł sprężystości jest wysoki, co czyni go idealnym wyborem do zbroi wojskowej. i dobry wybór materiałów w dziedzinie przestrzeni kosmicznej.
Główne cechy materiałów kompozytowych przedstawiono w tabeli 2.
Oprócz określonego modułu, kuloodporne materiały kompozytowe muszą również charakteryzować się dobrym wydłużeniem, odpornością na pękanie, wysoką wytrzymałością właściwą i być w stanie utrzymać dobrą wydajność przy dużym naprężeniu. Szkło E ma wysoką wytrzymałość na rozciąganie, ale słabą wytrzymałość, podczas gdy materiał Kevlar ma niską gęstość, wysoką wytrzymałość, dobrą wytrzymałość, odporność na wysoką temperaturę oraz jest łatwy w obróbce i formowaniu. Bor charakteryzuje się niską gęstością, wysoką wytrzymałością właściwą i wysokim modułem sprężystości.
1.3 Charakterystyka nowych kompozytowych materiałów na płyty kuloodporne z ceramiki
Nowe kompozytowe ceramiczne panele kuloodporne mają nieporównywalną przewagę nad tradycyjnymi panelami kuloodpornymi. Konkretne porównania można znaleźć w Tabeli 3.
(1) Może wytrzymać wielokrotne trafienia kulami.Materiał ten jest w stanie wytrzymać ciągłe uderzenie wielu pocisków w tę samą powierzchnię w tym samym czasie, bez zniszczenia całości. Utworzy jedynie w przybliżeniu okrągłe dziury po kulach na powierzchni, nie wpływając na kuloodporność innych części materiału.
(2) Ma dobre możliwości projektowania strukturalnego.Kompozytowe płyty ceramiczne mogą powodować odkształcenia zginające pod odpowiednimi kątami, a po odkształceniu mogą powrócić do swojego pierwotnego kształtu. Można je zaprojektować jako kompozytowe ceramiczne materiały kuloodporne o różnych kształtach, takich jak powierzchnie płaskie, zakrzywione i nachylone.
(3) Można naprawić i ponownie wykorzystać.Po trafieniu kulą okrągłe otwory po kulach na powierzchni można wypełnić kuloodpornymi korpusami ceramicznymi i ponownie połączyć kuloodpornym klejem, aby odzyskać właściwości oryginalnego materiału.
(4) Wysoka niezawodność użytkowania.Materiał ten kompleksowo wykorzystuje właściwości balistyczne wysokowydajnych płyt ceramicznych, płyt UHWMPE i płytek TC4, dzięki czemu odporność balistyczna jest lepsza niż w przypadku pojedynczych materiałów i może skutecznie blokować różne specyfikacje pistoletów i powiązanych bomb penetrujących małego i średniego kalibru.
(5) Technologia ma wysoką dojrzałość i duże możliwości projektowania.Materiał ten ma już dość dojrzały proces produkcyjny i może być zaprojektowany według indywidualnych potrzeb zgodnie z rzeczywistymi potrzebami, aby sprostać różnym potrzebom kuloodpornym.
1.4 Problemy z obecnymi kuloodpornymi materiałami kompozytowymi
Ponieważ kuloodporne materiały kompozytowe składają się z różnych materiałów, niejednorodność, anizotropia, złożone zależności konstytutywne, złożone mechanizmy uszkodzeń i złożone kryteria wytrzymałości materiałów kompozytowych są główną mechaniką materiałów kompozytowych i ich struktur. właściwości, zwiększając w ten sposób złożoność i trudność analizy, obliczeń, testowania i projektowania materiałów kompozytowych, ich konstrukcji i mechanizmów ochronnych. Jak dotąd kuloodporne materiały kompozytowe stwarzają następujące problemy.
(1) Niewystarczająca absorpcja energii.Niewchłonięta energia materiałów kuloodpornych podczas użytkowania spowoduje straty w personelu i mieniu, a niszczycielska siła broni również wzrośnie wraz z jej ulepszeniem. Dlatego przyszłe badania i zastosowania powinny skupiać się na poprawie kuloodporności i bezpieczeństwie materiałów w tym aspekcie. .
(2) Ciężar nie jest wystarczająco lekki.Waga kuloodpornych materiałów kompozytowych jest ważnym czynnikiem decydującym o możliwości ich promocji i wykorzystania. Dlatego należy w miarę możliwości zmniejszyć wagę kuloodpornych materiałów kompozytowych, zapewniając jednocześnie dobrą kuloodporność.
(3) Umacnianie i zaostrzanie sprzeczności.Zwłaszcza w przypadku kuloodpornych ceramicznych materiałów kompozytowych sprzeczność ta jest często trudna do przezwyciężenia. Dodanie niektórych materiałów wzmacniających do balistycznych materiałów kompozytowych może zmniejszyć wytrzymałość materiału. Jednakże, jeśli wytrzymałość materiału zostanie zwiększona, wytrzymałość materiału może się zmniejszyć. Dlatego potrzeba wielu testów, aby znaleźć najbardziej odpowiednią wytrzymałość i wytrzymałość materiału balistycznego. .
(4) Jeśli chodzi o kompatybilność materiałów kompozytowych, w tym właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne i inne, materiały kompozytowe mogą łączyć w sobie różne cechy, aby zapewnić lepszą ochronę.
Do tego dochodzą jeszcze kwestie takie jak interfejs i cena, które nie zostały do końca rozwiązane.
02
Aramidowy kuloodporny materiał kompozytowy
2.1 Mechanizm kuloodporny
Kiedy kuloodporny materiał włóknisty zostanie poddany działaniu energii uderzenia, rozciągnie się i odkształci. Energia pochłonięta przez włókno stanie się pracą wymaganą do jego odkształcenia. Praca wymagana do odkształcenia przy rozciąganiu i pęknięcia to energia pękania, zwana także pracą pękania. , energia pękania włókna jest związana z liczbą włókien biorących udział w pękaniu odkształceniowym przy rozciąganiu. Parametrem mierzącym właściwości antybalistyczne włókien jest współczynnik absorpcji energii przez włókno (energia rozbijania na jednostkę masy włókna).
Kiedy kuloodporne materiały włókniste zostaną poddane uderzeniu zewnętrznemu, naprężenia podłużne powstałe w wyniku uderzenia będą szybko rozprzestrzeniać się we wszystkich kierunkach w materiale włóknistym, tworząc „falę uderzeniową” (tj. falę dźwiękową). Prędkość dźwięku we włóknistych materiałach kuloodpornych będzie miała wpływ na chwilową dyfuzję energii, która określa ilość włókien biorących udział w pochłanianiu energii, wpływając w ten sposób na kuloodporność materiału. Dlatego prędkość dźwięku w włóknie jest kolejnym ważnym parametrem wpływającym na właściwości balistyczne włókna.
Kształty włókien w materiałach kuloodpornych obejmują proste i zakrzywione. Jeśli kształt włókna materiału jest prosty, energia będzie rozchodzić się wzdłuż kierunku osiowego włókna bez odbicia, w związku z czym energia będzie się rozprzestrzeniać daleko i szybko; jeśli kształt włókna jest zakrzywiony lub włókno Jeśli we włóknie występują pęknięcia, punkty zgięcia lub pęknięcia we włóknie odbiją część energii, zmniejszając chwilowy zasięg dyfuzji, a także kuloodporność materiału również zostanie zmniejszona . Można zauważyć, że kuloodporny efekt dwuwymiarowej dwuwymiarowej tkaniny z włókna będzie lepszy niż w przypadku tkaniny o splocie płóciennym.
Przenoszeniu energii często towarzyszy kontakt włókien w obrębie tej samej warstwy lub pomiędzy warstwami. Podczas przenoszenia energii uderzenia następuje odbicie energii na styku wszystkich materiałów, a sytuacje są różnorodne i złożone. Dlatego najskuteczniejszą drogą propagacji energii uderzenia jest dyfuzja wzdłuż osi włókna.
2.2 Główne czynniki wpływające na właściwości kuloodpornych materiałów kompozytowych aramidowych
Na właściwości kuloodpornych materiałów kompozytowych wpływa głównie moduł i zawartość materiału matrycy, właściwości materiału włóknistego, metoda i proces tkania włókna.
2.2.1 Wpływ modułu żywicy osnowy na właściwości balistyczne materiałów kompozytowych
Ponieważ żywica o niskim module sprężystości ma dobre właściwości tłumiące i sprzyja absorpcji energii, laminaty wykonane z żywicy o niskim module sprężystości mają lepsze właściwości kuloodporne niż żywica o wysokim module sprężystości.
2.2.2 Wpływ zawartości żywicy w osnowie na właściwości balistyczne materiałów kompozytowych
Zawartość żywicy w matrycy ma bardzo istotny wpływ na właściwości balistyczne materiałów kompozytowych. Zwiększanie zawartości objętościowej włókien w materiałach kompozytowych poprawi właściwości balistyczne, ale jeśli zawartość objętościowa włókien będzie zbyt duża, właściwości balistyczne ulegną pogorszeniu. Ponieważ żywica matrycowa w materiale kompozytowym może przenosić naprężenia w jednostce konstrukcyjnej, ale jeśli zawartość objętościowa włókien jest zbyt duża, zawartość matrycy w materiale kompozytowym będzie zbyt mała, co spowoduje zmniejszenie właściwości wiązania pomiędzy żywicą a żywicą. włóknem oraz pomiędzy włóknem a włóknem, wpływając w ten sposób na integralność laminatu, zmniejszą się również właściwości elastyczne materiału kompozytowego. Zawartość objętościowa włókien odnosi się do procentu objętości włókien w tkaninie w stosunku do całej objętości tkaniny, który można przeliczyć na gęstość powierzchniową. Gęstość powierzchniowa jest ważnym czynnikiem przy pomiarze rzeczywistej przydatności paneli kuloodpornych. Jeśli spełnia wymagania dotyczące ochrony, gęstość powierzchni powinna być jak najmniejsza na etapie projektowania i stosowania, aby można było znacznie zmniejszyć koszt i wagę.
2.2.3 Wpływ gęstości powierzchniowej laminatu na właściwości balistyczne laminatu
Włókna będą miały tendencję do ślizgania się, gdy pociski penetrują laminat, a niektóre włókna nie będą w stanie zmniejszyć penetracji pocisku. Jeśli gęstość powierzchniowa wzrośnie, pochłonięta energia laminatu wzrośnie, co wskazuje, że jego odporność balistyczna wzrasta wraz ze wzrostem gęstości powierzchniowej. Właściwości balistyczne laminatu bezwątkowego są lepsze niż laminatu o splocie płóciennym.
2.2.4 Wpływ struktury tkaniny włóknistej na właściwości balistyczne laminatów
W porównaniu z tkaninami satynowymi i o splocie płóciennym, dwuwymiarowe tkaniny dwuwymiarowe mają najniższy stopień przetworzenia i najmniejszą utratę wytrzymałości włókien. Włókna tkaniny będą ułożone równolegle w linie proste, o największej wartości zatrzymania wytrzymałości. Ponieważ włókna nie pokrywają się bezpośrednio, stopień skurczu wynosi w zasadzie zero, co skutecznie zmniejsza odbicie fal odkształcenia i pozwala uniknąć koncentracji naprężeń w lokalnych punktach podczas uderzenia pocisku. Dlatego energia absorpcji pęknięcia dwuwymiarowej dwuwymiarowej tkaniny jest wysoka. Ponieważ struktura tkaniny dwuwymiarowej tkaniny dwuwymiarowej jest luźna, sprzyja absorpcji energii, co czyni ją najlepszą kuloodporną wydajnością.
2.2.5 Wpływ liczby warstw tkaniny na właściwości balistyczne laminatów
Tkaniny o niskiej gęstości powierzchniowej mają lepsze właściwości balistyczne. Odporność balistyczna materiałów kompozytowych zależy od nici plecionych zastosowanych we włóknach materiału, splotu tkaniny, liczby warstw w każdej warstwie i rozmieszczenia włókien. Przy danej wadze im cieńszy i ciaśniejszy jest oplot oraz im więcej warstw ma materiał, tym lepsze będą właściwości balistyczne materiału. Gdy gęstość powierzchniowa materiału balistycznego jest stała, należy rozważyć tkaniny o większej liczbie warstw i mniejszej gęstości jednopowierzchniowej. Jednocześnie poprawa wydajności samego włókna poprawi również odporność balistyczną materiału.
03
Zastosowania i trendy rozwojowe
Zaawansowane balistyczne materiały kompozytowe charakteryzują się wysoką wytrzymałością właściwą, modułem właściwym, konstrukcją i wszechstronnością i są niezbędne w wielu zastosowaniach wojskowych. Są to podstawowe czynniki projektowania i kluczowe technologie ochrony osobistej oraz zaawansowanej broni i uzbrojenia. Dlatego dla organizacji, jeśli uda jej się wejść w ten obszar badań i zastosowań i stać się kwalifikowanym dostawcą określonego rodzaju produktu, będzie to miało ogromne znaczenie strategiczne pod względem korzyści społecznych i ekonomicznych.
Materiały kompozytowe charakteryzują się dobrą wydajnością, ponieważ łączą w sobie odpowiednie zalety materiałów wzmacniających i osnów. Są to także najszybciej rozwijające się i najbardziej obiecujące materiały kuloodporne. Materiały kuloodporne stopniowo ulegają dywersyfikacji i mieszaniu, a także pojawiły się różne nowe materiały kuloodporne o wysokiej twardości i wysokiej wytrzymałości, które pozwalają sprostać bardziej złożonym problemom ochrony. Wraz z rozwojem lekkich i wydajnych systemów opancerzenia, zalety kuloodpornej ceramiki i kuloodpornych materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem stają się coraz bardziej widoczne. Nowe kompozytowe ceramiczne panele kuloodporne mają nieporównywalne zalety z tradycyjnymi panelami kuloodpornymi, ale istniejących problemów nie można zignorować, dlatego skupiamy się na. Aby rozwiązać problemy występujące w kuloodpornych materiałach kompozytowych, bieżącym przedmiotem badań jest ciągła optymalizacja właściwości materiałów.
