Con l’applicazione della tecnologia avanzata nella guerra militare, la situazione delle perdite di personale e proprietà sta diventando sempre più complessa. Pertanto, dovrebbero essere condotte anche ricerche e applicazioni approfondite di materiali antiproiettile. L'armatura ceramica e i materiali compositi rinforzati con fibre sono importanti direzioni di ricerca e applicazione. Viene fornita una panoramica della nuova piastra ceramica antiproiettile composita e dei materiali compositi antiproiettile aramidici, viene effettuato un confronto tra la nuova piastra ceramica antiproiettile composita e la piastra antiproiettile tradizionale e vengono analizzate le sue caratteristiche e alcuni problemi che ancora esistono nella ricerca e nell'applicazione attuali. analizzato; viene eseguito il meccanismo antiproiettile del materiale composito antiproiettile aramidico. Descrivere in dettaglio e evidenziare i principali fattori che influenzano le prestazioni dei materiali compositi balistici aramidici.
01
Nuova piastra antiproiettile in ceramica composita
La ricerca sulle armature ceramiche è una parte importante dello sviluppo e dell'applicazione di materiali compositi antiproiettile. L'effetto di protezione balistica dell'armatura in ceramica è superiore a quello dell'acciaio per armature ordinarie. Attualmente, l'armatura passiva e l'armatura reattiva sono quelle più ampiamente studiate e applicate. In termini di meccanismo antiproiettile, il materiale dell'armatura nell'armatura reattiva genererà energia cinetica dopo essere stato eccitato dal proiettile e l'energia cinetica reagisce sul proiettile, mentre l'armatura passiva resiste all'impatto del proiettile attraverso le proprie caratteristiche. Oggi, gli Stati Uniti, la Russia e altri paesi hanno utilizzato ceramica e materiali compositi per sviluppare sistemi di armatura con una migliore efficienza in termini di peso e hanno sviluppato armature a pannelli di ceramica, che sono state ampiamente utilizzate.
1.1 Meccanismo antiproiettile
Quando un proiettile colpisce la piastra antiproiettile in ceramica composita ad alta velocità, il principio della forza di azione e della forza di reazione viene utilizzato per farlo entrare nella piastra antiproiettile ad alta velocità e quindi rimbalzare ad alta velocità con la forza opposta all'interno, formando un proiettile di circa foro di proiettile circolare sulla superficie. Raggiunge lo scopo di distruggere solo la superficie della piastra antiproiettile senza causare danni fatali all'intera piastra antiproiettile composita, ottenendo così l'antiproiettile.
1.2 Parametri prestazionali delle nuove piastre antiproiettile in ceramica composita
Le principali caratteristiche dei materiali ceramici sono mostrate nella Tabella 1.
I materiali ceramici hanno elevata rigidità specifica, elevata resistenza specifica e inerzia chimica in molti ambienti. Allo stesso tempo, la loro bassa densità, elevata durezza ed elevata resistenza alla compressione rispetto ai metalli li rendono più ampiamente utilizzati. L'alluminio di elevata purezza ha una densità maggiore, una durezza e una resistenza alla frattura inferiori, quindi la sua resistenza elastica è inferiore; la struttura della ceramica al carburo di silicio le conferisce elevata resistenza, elevata durezza, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, elevata conduttività termica e altre proprietà; Il diboruro di titanio ha un elevato modulo elastico; il carburo di boro ha un punto di fusione elevato, un'eccellente durezza e proprietà meccaniche e la sua densità è la più bassa tra i diversi materiali ceramici comunemente usati. Inoltre, il modulo elastico è elevato, rendendolo la scelta ideale per le armature militari. e una buona scelta di materiali in campo spaziale.
Le principali caratteristiche dei materiali compositi sono mostrate nella Tabella 2.
Oltre ad avere un certo modulo, i materiali compositi antiproiettile devono anche avere un buon allungamento, resistenza alla frattura, elevata resistenza specifica ed essere in grado di mantenere buone prestazioni alle velocità di deformazione. Il vetro E ha un'elevata resistenza alla trazione ma scarsa tenacità, mentre il materiale Kevlar ha bassa densità, elevata resistenza, buona tenacità, resistenza alle alte temperature ed è facile da lavorare e formare. Il boro ha le caratteristiche di bassa densità, elevata resistenza specifica ed elevato modulo elastico.
1.3 Caratteristiche dei nuovi materiali compositi per piastre antiproiettile ceramiche
I nuovi pannelli antiproiettile in ceramica composita presentano vantaggi incomparabili rispetto ai tradizionali pannelli antiproiettile. Vedere la Tabella 3 per confronti specifici.
(1) Può resistere a più colpi di proiettile.Questo materiale può sopportare l'impatto continuo di più proiettili contemporaneamente sulla stessa superficie senza che il tutto si rompa. Si formeranno solo fori di proiettile approssimativamente circolari sulla superficie senza compromettere l'effetto antiproiettile di altre parti del materiale.
(2) Ha una buona progettabilità strutturale.Le piastre ceramiche composite possono produrre deformazioni di flessione ad angoli corrispondenti e possono ritornare alla loro forma originale dopo la deformazione. Possono essere progettati in materiali compositi antiproiettile ceramici in varie forme come superfici piane, curve e inclinate.
(3) Può essere riparato e riutilizzato.Dopo essere stati colpiti da un proiettile, i fori circolari sulla superficie possono essere riempiti con corpi antiproiettile in ceramica e ricombinati con colla antiproiettile per ripristinare le prestazioni del materiale originale.
(4) Elevata affidabilità nell'uso.Questo materiale utilizza in modo completo le proprietà balistiche delle piastre ceramiche ad alte prestazioni, delle piastre UHWMPE e delle piastre TC4, rendendo la resistenza balistica migliore di quella dei singoli materiali e può bloccare efficacemente varie specifiche di pistole e relative bombe penetranti di piccolo e medio calibro.
(5) La tecnologia ha un'elevata maturità e una forte progettabilità.Questo materiale ha già un processo di produzione abbastanza maturo e può essere progettato in base alle esigenze individuali in base alle effettive esigenze per soddisfare le diverse esigenze antiproiettile.
1.4 Problemi con gli attuali materiali compositi antiproiettile
Poiché i materiali compositi antiproiettile sono composti da una varietà di materiali, la disomogeneità, l'anisotropia, le complesse relazioni costitutive, i complessi meccanismi di cedimento e i complessi criteri di resistenza dei materiali compositi sono i principali meccanismi dei materiali compositi e delle loro strutture. caratteristiche, aumentando così la complessità e la difficoltà di analisi, calcolo, sperimentazione e progettazione dei materiali compositi, delle loro strutture e dei meccanismi di protezione. Fino ad ora, i materiali compositi antiproiettile presentano ancora i seguenti problemi.
(1) Assorbimento energetico insufficiente.L'energia non assorbita dai materiali antiproiettile durante l'uso causerà perdite al personale e alle proprietà e anche il potere distruttivo delle armi aumenterà con il potenziamento delle armi. Pertanto, la ricerca e le applicazioni future dovrebbero concentrarsi sul miglioramento delle prestazioni antiproiettile e della sicurezza dei materiali in questo aspetto. .
(2) Il peso non è abbastanza leggero.Il peso dei materiali compositi antiproiettile è un fattore importante per la loro promozione e utilizzo. Pertanto, il peso dei materiali compositi antiproiettile dovrebbe essere ridotto il più possibile, garantendo al tempo stesso una buona resistenza antiproiettile.
(3) Rafforzare e inasprire le contraddizioni.Soprattutto per i materiali compositi ceramici antiproiettile, questa contraddizione è spesso difficile da superare. L'aggiunta di determinati materiali tenaci ai materiali compositi a prova di balistica può ridurre la resistenza del materiale. Tuttavia, se la resistenza del materiale aumenta, la tenacità del materiale potrebbe ridursi. Pertanto, sono necessari numerosi test per trovare la resistenza e la tenacità più adatte del materiale a prova di balistica. .
(4) Per quanto riguarda la compatibilità dei materiali compositi, comprese le caratteristiche fisiche, chimiche, meccaniche e di altro tipo, i materiali compositi possono integrare varie caratteristiche per fornire una migliore protezione.
Inoltre ci sono anche problemi come l'interfaccia e il prezzo, che non sono stati completamente risolti.
02
Materiale composito antiproiettile in aramide
2.1 Meccanismo antiproiettile
Quando il materiale antiproiettile in fibra è sottoposto a energia d'impatto, si allungherà e si deformerà. L'energia assorbita dalla fibra diventerà il lavoro necessario per la sua deformazione. Il lavoro richiesto per la sua deformazione a trazione e frattura è l'energia di frattura, nota anche come lavoro di frattura. , l'energia di frattura della fibra è correlata al numero di fibre che partecipano alla frattura per deformazione da trazione. Il parametro che misura le proprietà antibalistiche delle fibre è il tasso di assorbimento di energia della fibra (energia di rottura per unità di massa di fibra).
Quando i materiali in fibra antiproiettile vengono colpiti da un impatto esterno, la sollecitazione longitudinale generata dall'impatto si propagherà rapidamente in tutte le direzioni nel materiale in fibra, formando un'"onda d'urto" (cioè un'onda sonora). La velocità del suono nei materiali in fibra antiproiettile influenzerà la diffusione istantanea dell'energia, che determina la quantità di fibre coinvolte nell'assorbimento di energia, influenzando così l'effetto antiproiettile del materiale. Pertanto, la velocità del suono nella fibra è un altro parametro importante che influenza le prestazioni balistiche della fibra.
Le forme delle fibre nei materiali antiproiettile sono diritte e curve. Se la forma della fibra del materiale è diritta, l'energia si propagherà lungo la direzione assiale della fibra senza riflessione, e quindi l'energia si diffonderà lontano e velocemente; se la forma della fibra è curva, o la fibra Se ci sono rotture nella fibra, i punti di piegatura o rotture nella fibra rifletteranno parte dell'energia, riducendo il raggio di diffusione istantaneo, e anche l'effetto antiproiettile del materiale sarà ridotto . Si può vedere che l'effetto antiproiettile del tessuto bidimensionale bidimensionale in fibra sarà migliore di quello del tessuto a trama semplice.
Il trasferimento di energia è spesso accompagnato dal contatto tra fibre all'interno dello stesso strato o tra strati. Durante la trasmissione dell'energia d'impatto, la riflessione dell'energia avviene all'interno delle interfacce di tutti i materiali e le situazioni sono diverse e complesse. Pertanto, il percorso di propagazione più efficace dell'energia d'impatto è la diffusione lungo l'asse della fibra.
2.2 Principali fattori che influenzano le prestazioni dei materiali compositi antiproiettile aramidici
Le prestazioni dei materiali compositi antiproiettile sono influenzate principalmente dal modulo e dal contenuto del materiale della matrice, dalle proprietà del materiale in fibra, dal metodo di tessitura e dal processo della fibra.
2.2.1 Effetto del modulo della matrice resina sulle proprietà balistiche dei materiali compositi
Poiché la resina a matrice a basso modulo ha buone proprietà di smorzamento e favorisce l'assorbimento di energia, i laminati realizzati con resina a matrice a basso modulo hanno effetti antiproiettile migliori rispetto alla resina a matrice ad alto modulo.
2.2.2 Effetto del contenuto di resina della matrice sulle proprietà balistiche dei materiali compositi
Il contenuto di resina della matrice ha un impatto molto importante sulle proprietà balistiche dei materiali compositi. L'aumento del contenuto di volume delle fibre nei materiali compositi migliorerà le proprietà balistiche, ma se il contenuto di volume delle fibre è troppo elevato, le proprietà balistiche diminuiranno. Poiché la resina matrice nel materiale composito può trasmettere sollecitazioni nell'unità strutturale, ma se il contenuto di volume della fibra è troppo elevato, il contenuto di matrice nel materiale composito sarà troppo piccolo, con conseguente riduzione delle prestazioni di legame tra la resina e la fibra e tra fibra e fibra, influenzando così l'integrità del laminato, diminuiranno anche le proprietà elastiche del materiale composito. Il contenuto di volume delle fibre si riferisce alla percentuale del volume delle fibre nel tessuto rispetto all'intero volume del tessuto, che può essere convertito in densità dell'area. La densità dell'area è un fattore importante per misurare l'effettiva applicabilità dei pannelli antiproiettile. Se è in grado di soddisfare i requisiti di protezione, la densità dell'area dovrebbe essere la più piccola possibile durante la progettazione e l'applicazione, in modo da ridurre notevolmente i costi e il peso.
2.2.3 Effetto della densità dell'area laminata sulle prestazioni balistiche del laminato
Le fibre tenderanno a scivolare quando i proiettili penetrano nel laminato e alcune fibre non saranno in grado di ridurre la penetrazione dei proiettili. Se la densità areale aumenta, aumenterà l'energia assorbita dal laminato, indicando che la sua resistenza balistica aumenta con l'aumento della densità areale. Le prestazioni balistiche del laminato senza trama sono migliori di quelle del laminato a trama semplice.
2.2.4 Effetto della struttura del tessuto in fibra sulle proprietà balistiche dei laminati
Rispetto ai tessuti satinati e ad armatura semplice, i tessuti bidimensionali bidimensionali hanno il grado di lavorazione più basso e la più piccola perdita di resistenza delle fibre. Le fibre del tessuto saranno disposte parallelamente in linee rette, con il massimo valore di ritenzione della resistenza. Poiché non ci sono punti di sovrapposizione diretta tra le fibre, il tasso di ritiro è sostanzialmente pari a zero, il che riduce efficacemente la riflessione delle onde di deformazione ed evita la concentrazione dello stress nei punti locali durante l'impatto dei proiettili. Pertanto, l'energia di assorbimento della rottura del tessuto bidimensionale bidimensionale è elevata. Poiché la struttura del tessuto bidimensionale bidimensionale è allentata, favorisce l'assorbimento di energia, rendendolo la migliore prestazione antiproiettile.
2.2.5 Effetto del numero di strati di tessuto sulle proprietà balistiche dei laminati
I tessuti a bassa densità superficiale hanno proprietà balistiche migliori. La resistenza balistica dei materiali compositi è determinata dai fili intrecciati utilizzati per le fibre del materiale, dalla trama del tessuto, dal numero di strati in ciascuno strato e dalla disposizione delle fibre. Sotto un dato peso, più sottile e fitta è la treccia e più strati ha il materiale, migliori saranno le proprietà balistiche del materiale. Quando la densità superficiale del materiale balistico è costante, si dovrebbero prendere in considerazione tessuti con più strati e una densità di superficie singola inferiore. Allo stesso tempo, migliorando le prestazioni della fibra stessa si migliorerà anche la resistenza balistica del materiale.
03
Applicazioni e tendenze di sviluppo
I materiali compositi avanzati resistenti alla balistica hanno elevata resistenza specifica, modulo specifico, design e versatilità e sono indispensabili in molte applicazioni militari. Sono fattori fondamentali nella progettazione e tecnologie chiave per la protezione personale e armi e armamenti avanzati. Pertanto, per un'organizzazione, se riesce ad entrare in questo campo di ricerca e applicazione e diventare fornitore qualificato di una certa tipologia di prodotto, ciò avrà un grande significato strategico in termini di benefici sia sociali che economici.
I materiali compositi hanno buone prestazioni perché combinano i rispettivi vantaggi dei materiali di rinforzo e delle matrici. Sono anche i materiali antiproiettile in più rapida crescita e più promettenti. I materiali antiproiettile si stanno gradualmente sviluppando verso la diversificazione e la composizione e sono emersi vari nuovi materiali antiproiettile con elevata durezza ed elevata tenacità per affrontare problemi di protezione più complessi. Con lo sviluppo di sistemi di armatura leggeri ed efficienti, i vantaggi della ceramica antiproiettile e dei materiali compositi antiproiettile rinforzati con fibre sono diventati sempre più importanti. I nuovi pannelli antiproiettile compositi in ceramica presentano vantaggi incomparabili rispetto ai tradizionali pannelli antiproiettile, ma i problemi esistenti non possono essere ignorati, quindi ci concentriamo su Per risolvere i problemi esistenti nei materiali compositi antiproiettile, l'ottimizzazione continua delle proprietà dei materiali è l'attuale obiettivo della ricerca.
