Najnowsze postępy w badaniach nad hełmami kuloodpornymi z kompozytów wzmacnianych włóknami

Wstęp

Wraz z eskalacją konfliktów międzynarodowych i coraz bardziej złożonym rozwojem globalnego terroryzmu i ekstremizmu, zagrożenie wojną staje się coraz poważniejsze, co stawia wyższe wymagania wobec kompleksowego wyposażenia wojskowego, takiego jak hełmy kuloodporne. Chociaż głowa i szyja stanowią zaledwie 12% ciała żołnierza, urazy głowy odpowiadają za połowę zgonów na polu bitwy. Urazowe uszkodzenie mózgu (TBI) jest częstą przyczyną śmierci i kalectwa żołnierzy i stało się charakterystycznym urazem we współczesnych konfliktach zbrojnych. Dane pokazują, że pociski lub odłamki o dużej prędkości na polu bitwy mogą powodować około 80% śmiertelnych obrażeń, z czego 45% dotyczy głowy. W obliczu pocisków lub odłamków o dużej prędkości, które mogą nadlatywać z dowolnego kierunku na polu bitwy, hełmy kuloodporne mogą skutecznie absorbować lub redukować energię kinetyczną uderzenia pocisków i odłamków, zmniejszając rzeczywiste uszkodzenia sieci neuronowych i naczyń krwionośnych mózgu spowodowane falami energii generowanymi przez pocisk w mózgu, a tym samym zmniejszając śmiertelność personelu bojowego. Badania wykazały, że żołnierze noszący hełmy kuloodporne mogą zmniejszyć śmiertelność o około 20%. Dlatego istnieje obecnie potrzeba opracowania hełmów kuloodpornych o lepszych właściwościach ochronnych, lżejszych i zapewniających większy komfort noszenia, które sprawdziłyby się w coraz bardziej złożonych warunkach pola walki i chroniłyby życie żołnierzy.

Pierwszym na świecie nowoczesnym hełmem kuloodpornym był stalowy hełm M1915 z I wojny światowej. Na jego podstawie armia amerykańska wyprodukowała hełm M1917, a podczas II wojny światowej opracowała ekskluzywny stalowy hełm armii amerykańskiej — stalowy hełm M1, który jest również najdłużej używanym nowoczesnym hełmem stalowym. Później, wraz z rozwojem wysokowydajnych włókien i ich materiałów kompozytowych, hełmy stalowe stopniowo zniknęły z głównego nurtu. Na przykład hełm PASGT, ze względu na wysoki komfort i wysoką ochronę, zaczął być szeroko stosowany w armii amerykańskiej. Mój kraj również z powodzeniem opracował nowy hełm kuloodporny z materiału kompozytowego — hełm aramidowy QGF02 — w 1993 roku. Od początku XXI wieku różne kraje sukcesywnie opracowywały lekkie, zapewniające wysoki poziom ochrony i wysoce zintegrowane hełmy balistyczne, takie jak hełm bojowy armii amerykańskiej IHPS, chiński hełm W-15 i brytyjski hełm VIRTUS. Rysunek 1 przedstawia historyczne zdjęcia chińskich i amerykańskich wojskowych hełmów balistycznych; w pierwszym rzędzie pokazane są hełmy chińskie, w drugim rzędzie hełmy amerykańskie.

W obliczu trwających konfliktów zbrojnych na całym świecie oraz coraz bardziej złożonych warunków miejskich i polowych, opracowywanie hełmów balistycznych spełniających wymagania przyszłych działań wojennych – oferujących wysoką wydajność ochrony, inteligentne funkcje, komfort i adaptowalność, szybką produkcję i możliwość personalizacji – ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa żołnierzy, zwiększenia skuteczności bojowej i dostosowania do zróżnicowanych potrzeb. Dzięki ciągłemu rozwojowi materiałoznawstwa, hełmy balistyczne są obecnie wytwarzane głównie z materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknami, które jednocześnie zapewniają lekkość, wysoki poziom ochrony i komfort. Powstałe w ten sposób funkcjonalnie zintegrowane hełmy balistyczne mogą znacząco poprawić zdolności bojowe żołnierza oparte na informacji. Niniejszy artykuł przedstawia wysokowydajne materiały kompozytowe wzmacniane włóknami stosowane w hełmach kuloodpornych oraz stosowane struktury tkanin balistycznych, a także systematycznie podsumowuje technologię formowania hełmów kuloodpornych, dostarczając materiałów referencyjnych do przyszłego projektowania i wytwarzania hełmów kuloodpornych z kompozytów wzmacnianych włóknami.

1. Materiały kompozytowe wzmacniane włóknami do hełmów kuloodpornych

1.1 Włókno węglowe

W ubiegłym stuleciu kompozytowe hełmy kuloodporne były wykonane głównie z kompozytów z włókien aramidowych. W obecnym stuleciu włókno UHMWPE stopniowo zastąpiło włókno aramidowe jako główny materiał w dziedzinie ochrony kuloodpornej. Włókno węglowe Ze względu na swoją wyjątkowo wysoką sztywność i wytrzymałość, włókno aramidowe jest często hybrydyzowane z włóknem aramidowym i włóknem UHMWPE, wykazując ogromny potencjał w dziedzinie ochrony kuloodpornej. W ostatnich latach pojawiły się nowe, wysokowydajne włókna, takie jak włókno PBO i włókno PIPD. Posiadać Przyciągnął również szerokie zainteresowanie w dziedzinie ochrony balistycznej. Podstawowe właściwości mechaniczne wysokowydajnych materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknami przedstawiono w tabeli 1.



Włókno węglowe zostało opracowane w latach 50. i 60. XX wieku. Ze względu na wysoki moduł sprężystości, wysoką wytrzymałość na rozciąganie, stabilność w wysokiej temperaturze i wysoką odporność na korozję, od dawna jest przedmiotem zainteresowania i jest szeroko stosowane w lotnictwie i wojsku. Włókno węglowe odnosi się do wysokowydajnych włókien o zawartości węgla wynoszącej około 95%, wytwarzanych przez karbonizację w fazie stałej włókien organicznych. Obecnie komercyjnie dostępne na całym świecie włókna węglowe są wytwarzane głównie z włókien poliakrylonitrylu (PAC). Ze względu na wyjątkowo wysoką sztywność i wytrzymałość, włókno węglowe jest często hybrydyzowane z innymi wysokowydajnymi włóknami w celu tworzenia balistycznych materiałów kompozytowych. Na przykład, Nanyang Technological University i DSM Corporation laminowały włókna UHMWPE włóknami węglowymi, znacznie poprawiając zdolności ochrony balistycznej poprzez zmianę kolejności układania w celu zmniejszenia prędkości swobodnej płyty balistycznej (BFS). Mimo że kompozyty z włókna węglowego posiadają wysoki moduł sprężystości i wytrzymałość na rozciąganie, ich niskie wydłużenie przy zerwaniu ogranicza efektywność pochłaniania energii, co ogranicza ich zastosowanie w ochronie balistycznej.

1.2 Włókna aramidowe

Włókna aramidowe Są to sztucznie syntetyzowane włókna poliamidowe, w tym poli(p-fenylenotereftalamid) (PPTA), poli(m-fenylenoizoftalamid) (PMIA), heterocykliczne aromatyczne włókna poliamidowe zawierające heteroatomy oraz ortoaramidowe, w pełni aromatyczne włókna poliamidowe. Obecnie głównymi produkowanymi na świecie włóknami aramidowymi są: para-aramid (PPTA) i meta-aramid (PMIA). Wśród nich włókno Kevlar firmy DuPont i włókno Twaron firmy Teijin są szeroko stosowane w ochronie balistycznej. Hełm balistyczny PASGT, opracowany w latach 80. XX wieku, jest wykonany z kompozytu z włókien Kevlaru 29, a późniejszy słynny hełm bojowy ACH – z kompozytu z włókien Kevlaru 129. Włókna aramidowe charakteryzują się wysoką wytrzymałością właściwą, wysokim modułem sprężystości i wysokim współczynnikiem absorpcji energii i są szeroko stosowane w ochronie balistycznej. Chociaż włókna aramidowe mają szeroki zakres zastosowań, ich podatność na rozkład pod wpływem promieniowania ultrafioletowego i hydrolizę spowodowaną absorpcją wilgoci ograniczyły ich rozwój. Ich żywotność ulega znacznemu skróceniu, a właściwości ochronne są obniżone w silnym świetle ultrafioletowym lub w wilgotnym środowisku.

1.3 Włókno UHMWPE

Włókno UHMWPE , ze względu na swoje szczególne właściwości, takie jak niska gęstość, doskonała odporność na uderzenia, wyjątkowy stosunek wytrzymałości do masy, wysoka zdolność tłumienia i odporność na korozję, jest szeroko stosowane w różnych dziedzinach. Obecnie najbardziej znanymi włóknami UHMWPE na świecie są Dyneema produkowana przez DSM i Spectra produkowana przez Honeywell. Ponieważ większość fal uderzeniowych rozchodzi się równolegle do kierunku włókien, gdy kompozyty wzmocnione włóknami są poddawane uderzeniom o dużej intensywności, włókno UHMWPE o wysokiej sztywności może działać jak kanał o wysokiej energii, rozpraszając energię uderzenia w całej konstrukcji. Ta właściwość pozwala na skuteczne przechwytywanie konwencjonalnych pocisków pistoletowych i odłamków o niskiej prędkości, i jest szeroko stosowane w zastosowaniach takich jak miękkie kamizelki kuloodporne. Ponadto, w porównaniu z włóknem węglowym i aramidowym, włókno UHMWPE ma znacznie niższą gęstość, co jest korzystne dla zmniejszenia masy hełmów kuloodpornych. Ponadto, wysoka wytrzymałość, odporność na promieniowanie UV i korozję włókna UHMWPE sprawiają, że jest to najlepszy materiał balistyczny do ochrony w systemach przemysłowych. Jednakże siły międzycząsteczkowe włókien UHMWPE są stosunkowo słabe, a pełzanie występuje, gdy temperatura przetwarzania przekracza 130°C. W temperaturze topnienia (około 150°C) szybkość pełzania gwałtownie wzrasta, co prowadzi do znacznego skrócenia żywotności. Ponadto, chemicznie obojętna powierzchnia włókien UHMWPE powoduje niską wytrzymałość wiązań międzyfazowych z żywicami, co utrudnia produkcję i zastosowanie kompozytów włóknistych UHMWPE.

1.4 Inne włókna o wysokiej wydajności

Włókno poli(p-fenylenobenzobisoksazolu) zostało pierwotnie opracowane przez Laboratorium Materiałów Sił Powietrznych USA jako materiał odporny na wysokie temperatury, a później wprowadzone na rynek przez japońską firmę Toyobo Co., Ltd. pod nazwą Zylon. Włókno PBO Włókna PBO charakteryzują się wysoką wytrzymałością, wysokim modułem sprężystości, odpornością na wysokie temperatury i ognioodpornością, co czyni je najlepszymi pod względem ogólnej wydajności wśród wszystkich „włókien organicznych”. W 2003 roku w USA wyprodukowano próbki hełmów z włókien PBO, ale ich waga wynosiła zaledwie 0,8 kg, czyli około 0,55 kg mniej niż hełmów aramidowych o tym samym poziomie ochrony. Moduł sprężystości włókna PBO wynosi około 270 GPa, czyli około trzy razy więcej niż włókna paraaramidowego. Włókna PBO charakteryzują się jednak wyjątkowo słabą odpornością na światło i gęstą, gładką powierzchnią, co powoduje słabą przyczepność międzyfazową z matrycą kompozytową. Ich wydajność znacznie pogarsza się w wilgotnym i gorącym środowisku, co ogranicza ich zastosowanie w hełmach kuloodpornych.

Włókno PIPD to nowatorskie ciekłokrystaliczne aromatyczne heterocykliczne włókno polimerowe opracowane na bazie łańcucha cząsteczkowego PBO, znane również jako włókno M5. Włókno PIPD zostało pierwotnie opracowane przez Akzo Nobel w Holandii, a obecnie główną metodą jego produkcji jest przędzenie na mokro metodą suchego strumienia (dry-jet wet spinning). Głównymi surowcami są TAP i DHTA. Włókno PIPD charakteryzuje się modułem sprężystości 150 GPa i wytrzymałością na rozciąganie 2,5 GPa. PIPD to wysokowydajne włókno o sztywnej, prętowatej strukturze i silnych międzycząsteczkowych wiązaniach wodorowych, charakteryzujące się znacznie wyższą wytrzymałością na ściskanie w porównaniu z włóknem PBO. Jednak obojętność powierzchniowa włókna PIPD zmniejsza interakcję między włóknem a żywicą, obniżając tym samym ogólną wydajność materiału kompozytowego. Ponadto, kruchość włókna pod wpływem obciążeń udarowych również wpływa na jego właściwości balistyczne.

2. Struktura tkaniny balistycznej

Tkaniny balistyczne ochronne zazwyczaj odnoszą się do wysokowydajnych włókien, które pochłaniają energię kinetyczną uderzenia poprzez zerwanie włókien przy rozciąganiu, odkształcenie tkaniny oraz tarcie między włóknem a pociskiem, skutecznie redukując lub zapobiegając obrażeniom użytkownika spowodowanym uderzeniami z dużą prędkością. Skuteczność balistyczna tkanin balistycznych odpornych na uderzenia zależy głównie od ich struktury i właściwości przędzy. W zależności od procesu produkcyjnego, włókniny można ogólnie podzielić na włókniny jednokierunkowe (UD), tkaniny dwuwymiarowe i tkaniny trójwymiarowe.

2.1 Tkaniny włókninowe jednokierunkowe

Tkaniny UD zostały po raz pierwszy wprowadzone na rynek przez firmę Allied Signal w 1988 roku. Powstają one poprzez równoległe ułożenie włókien, laminowanie ich pod kątem 0/90 lub 0/90/±45°, a następnie łączenie ich żywicą termoplastyczną. Jednowarstwowe tkaniny UD mają wyższe granice ochrony balistycznej i absorpcji energii niż tkaniny tkane 2D i 3D, a także oferują wyższą elastyczność i jakość. Zaletą tkanin UD jest brak skrzyżowań lub loków, co pozwala falom odbitym rozchodzić się na dużym obszarze po uderzeniu, co skutkuje szybszymi prędkościami transmisji i większą liczbą włókien uczestniczących w penetracji pocisku. Kompozyty włókien UHMWPE często wykorzystują struktury tkanin UD w celu uzyskania lepszych właściwości ochronnych i efektywności absorpcji energii, a tryby uszkodzeń tkanin UD o różnych grubościach również się różnią. Na przykład mechanizm uszkodzenia perforacji w jednokierunkowych laminatach kompozytowych UHMWPE to ścinanie i tarcie otworów (między pociskiem a próbką). W przypadku perforacji grubych laminatów kompozytowych UHMWPE głównymi mechanizmami uszkodzeń są rozwarstwienie kompozytu, naprężenie włókien i rozszerzanie się.

Jak pokazano w porównaniu struktur tkanin balistycznych, jednokierunkowe tkaniny włókninowe układają włókna równolegle, z orientacją 0/90 lub 0/90/±45°, i są laminowane żywicą termoplastyczną. Ich zalety to dobra elastyczność, lekkość, brak punktów skrzyżowania lub zwijania się oraz szybkie rozprzestrzenianie się fal. Więcej włókien uczestniczy w penetracji pocisku. Ta struktura jest powszechnie stosowana w kompozytach włóknistych UHMWPE w celu poprawy ochrony i efektywności pochłaniania energii. Problem polega na tym, że tryby uszkodzeń różnią się w zależności od grubości: perforacja w jednokierunkowych laminatach kompozytowych UHMWPE jest spowodowana głównie zniszczeniem ścinającym i tarciem otworów; perforacja w grubych laminatach kompozytowych UHMWPE jest spowodowana głównie rozwarstwieniem kompozytu, naprężeniem włókien i rozszerzaniem.

2.2 Tkaniny dwuwymiarowe

Tkaniny dwuwymiarowe składają się z przędz osnowy i wątku przeplatanych pod kątem prostym. Obejmują one głównie splot płócienny, skośny i atłasowy, jak pokazano na rysunku. Najczęściej stosowaną strukturą ochrony balistycznej jest tkanina dwuwymiarowa o splocie płóciennym. Tkaniny dwuwymiarowe można zszywać wielowarstwowo, aby poprawić ochronę balistyczną, zmniejszyć stopień wgniecenia (BFS) i ograniczyć uszkodzenia mózgu wywołane falami uderzeniowymi. Jednakże, ze względu na zginanie włókien i fluktuacje włókien wewnątrz tkaniny, fale naprężeń mogą się na siebie nakładać i odbijać, co prowadzi do nadmiernego wydłużenia i zerwania włókien, a tym samym zmniejszenia ich zdolności balistycznej.

Jak pokazano na rysunku 2, modele geometryczne tkanin dwuwymiarowych różnią się w zależności od splotu. Jak pokazano w tabeli 2, tkaniny dwuwymiarowe składają się z przędz osnowy i wątku przeplatanych pod kątem prostym, w tym splot płócienny, skośny i satynowy. Dwuwymiarowy splot płócienny jest powszechnie stosowaną strukturą ochrony balistycznej. Jego zalety obejmują możliwość zszywania w wiele warstw, co poprawia ochronę balistyczną, zmniejsza wgniecenia pocisku (BFS) i minimalizuje uszkodzenia mózgu spowodowane falami uderzeniowymi. Problemy obejmują zginanie i falowanie włókien na powierzchni tkaniny, powodujące nakładanie się i odbijanie fal naprężeń, co prowadzi do nadmiernego wydłużenia i zerwania włókien, a tym samym zmniejszenia zdolności ochrony balistycznej. Szczególnym problemem są wyraźne ostre końcówki w porównaniu z 30 warstwami włókien Kevlaru.

2.3 Tkaniny trójwymiarowe

W przypadku hełmów kuloodpornych wykonanych z dwuwymiarowych tkanin, cięcie i szycie często przerywa ciągłość włókien, zmniejszając balistyczne właściwości hełmu. Ponadto, dwuwymiarowe tkaniny często charakteryzują się słabą adhezją boczną, co czyni je podatnymi na rozwarstwienie. Trójwymiarowe tkaniny, wykorzystujące zarówno boczne, jak i podłużne przędze osnowy i wątku do tworzenia trójwymiarowej, zintegrowanej tkaniny, znacznie łagodzą problemy związane z dwuwymiarowymi tkaninami. Rysunek 3 przedstawia schematyczny diagram struktury modelu trójwymiarowej ortogonalnej tkaniny. Trójwymiarowa tkanina jest połączona ze sobą poprzez podłużne szycie przędzy, co skutecznie zwiększa lokalną elastyczność, zmniejsza naprężenia w miejscu uderzenia pocisku, wydłuża czas kontaktu pocisku z tkaniną i rozkłada naprężenia na większym obszarze wokół punktu uderzenia pocisku. Justyna Pinkos i in. porównali odporność na penetrację pocisku dwuwymiarowych i trójwymiarowych tkanin wykonanych z 30 warstw włókna Kevlar. Stwierdzili, że w przypadku tej samej penetracji pocisku, trójwymiarowa tkanina tkana wymagała grubszej liczby warstw, aby pochłonąć falę uderzeniową. Jednak trójwymiarowa tkanina tkana nie miała wyraźnie ostrego punktu, podczas gdy dwuwymiarowa tkanina tkana miała znacznie bardziej wyraźny ostry punkt.


Jak pokazano na rysunku 2 powyżej, trójwymiarowa tkanina wykorzystuje poprzeczne i podłużne przędze osnowy i wątku, tworząc integralną przestrzeń, a trójwymiarowa tkanina jest zszywana za pomocą przędz podłużnych. Jej zalety obejmują łagodzenie problemów z przerwaniem ciągłości włókien, słabą adhezją poprzeczną i łatwym rozwarstwianiem się związanym z cięciem i szyciem w dwuwymiarowych tkaninach tkanych; zwiększenie lokalnej elastyczności, zmniejszenie naprężeń w miejscu uderzenia pocisku, wydłużenie czasu kontaktu pocisku z tkaniną oraz rozłożenie naprężeń na większym obszarze. Problem polega na tym, że przy tej samej penetracji pocisku, wymagana jest większa liczba warstw, aby zaabsorbować falę uderzeniową pocisku. Szczególnym problemem jest to, że w porównaniu z 30 warstwami włókna Kevlar, nie ma wyraźnego ostrego punktu.

3. Technologia formowania materiałów kompozytowych do hełmów kuloodpornych

Hełmy kuloodporne składają się głównie z zewnętrznej skorupy, podszewki i systemu zawieszenia. Absorbują one przede wszystkim energię uderzenia pocisków lub odłamków o dużej prędkości poprzez deformację i pękanie zewnętrznej skorupy. Dlatego proces produkcji skorupy hełmu odgrywa kluczową rolę w jego właściwościach ochronnych. Tradycyjne metody formowania wstępnego obejmują najpierw staranne ułożenie wysokowydajnych włókien, a następnie przygotowanie prepregu z włókien z żywicy termoplastycznej lub termoutwardzalnej. Wycięty i ułożony materiał kompozytowy z włókien jest następnie poddawany formowaniu pod wysokim ciśnieniem w rozgrzanej prasie metalowej. Podczas produkcji hełmu kluczowe jest zapewnienie równomiernego rozprowadzenia materiału i gładkiej powierzchni skorupy, minimalizując szczeliny między warstwami i redukując koncentrację naprężeń podczas penetracji pocisku. Obecnie w produkcji skorup hełmów kuloodpornych wykorzystuje się technologie formowania materiałów kompozytowych, takie jak formowanie ręczne, formowanie metodą transferu żywicy (RTM), termoformowanie i formowanie w rozmiarze netto.

3.1 Proces formowania ręcznego

Formowanie ręczne metodą laminowania, znane również jako formowanie kontaktowe, jest najwcześniejszą i najszerzej stosowaną technologią formowania w produkcji kompozytowych hełmów kuloodpornych. Formowanie ręczne metodą laminowania jest głównie ręczne, z ograniczonym wykorzystaniem maszyn. Wymaga wysokich umiejętności technicznych od operatorów, znajomości właściwości strukturalnych produktu oraz doświadczenia w cięciu i układaniu włókien wzmacniających, a także w obróbce powierzchni formy. Chociaż formowanie ręczne metodą laminowania oferuje tanie i łatwe w utrzymaniu formy, które nie są ograniczone rozmiarem ani kształtem produktu, umożliwiając elastyczne modyfikacje różnych części zgodnie z wymaganiami projektowymi oraz wygodne formowanie w temperaturze pokojowej, zazwyczaj nadaje się ono jedynie do produkcji wyrobów na małą skalę. Gotowe produkty często charakteryzują się nierównomiernymi właściwościami mechanicznymi, słabą stabilnością i niespójnymi właściwościami ochronnymi.

Tabela 3 przedstawia porównanie technologii formowania materiałów kompozytowych do produkcji hełmów kuloodpornych. Formowanie ręczne metodą laminowania w dużym stopniu opiera się na umiejętnościach pracowników, co skutkuje nierównomiernymi właściwościami mechanicznymi, słabą stabilnością i niestabilną ochroną gotowego produktu. Metoda ta charakteryzuje się najniższą wydajnością, wymaga prostego sprzętu i niskich nakładów inwestycyjnych, ale charakteryzuje się wysokimi kosztami pracy, co czyni ją odpowiednią do produkcji małoseryjnej, produkcji na zamówienie, rozwoju prototypów lub tymczasowej, awaryjnej produkcji niewielkich ilości hełmów.

3.2 Formowanie metodą transferu żywicy (RTM)

RTM (Resin Transfer Molding) to technologia formowania materiałów kompozytowych polegająca na wtryskiwaniu żywic o niskiej lepkości, takich jak żywice poliestrowe lub epoksydowe, do zamkniętej formy, gdzie następuje całkowita i równomierna impregnacja wysokowydajnych włókien lub innych materiałów wzmacniających, a następnie utwardzanie. W porównaniu z tradycyjnym formowaniem ręcznym, technologia RTM pozwala uzyskać materiały o wyższej odporności na uderzenia, bardziej jednorodnych właściwościach mechanicznych, niższych kosztach, łatwiejszej powtarzalności produkcji, wyższej dokładności wymiarowej oraz gładszej, bardziej płaskiej powierzchni. Jednak podczas produkcji materiałów kompozytowych o złożonej strukturze i dużych objętościach, formowanie RTM często napotyka problemy, takie jak nierównomierny przepływ żywicy, niedostateczna impregnacja włókien i nadmiernie długi czas formowania, co prowadzi do rozbieżności między oczekiwanymi właściwościami mechanicznymi, wytrzymałością i precyzją produktu kompozytowego. Schemat blokowy procesu przedstawiono na rysunku 4.

Jak pokazano na rysunku 3 powyżej, produkty wytwarzane w technologii formowania z transferem żywicy charakteryzują się równomiernym rozprowadzeniem żywicy, niską porowatością, doskonałymi właściwościami mechanicznymi i dobrą skutecznością ochrony. Mogą być produkowane masowo z wysoką wydajnością i umiarkowanymi nakładami początkowymi, równoważąc produkcję masową z możliwością personalizacji hełmów o wysokich wymaganiach jakościowych i złożonych konstrukcjach, takich jak hełmy przeznaczone dla sił specjalnych.

3.3 Proces formowania na gorąco

Formowanie na gorąco to powszechnie stosowany proces formowania materiałów kompozytowych. Głównymi czynnikami wpływającymi na jakość formowania hełmów kuloodpornych są temperatura, czas formowania i ciśnienie formowania. Najpierw włókna o wysokiej wytrzymałości miesza się z żywicami termoutwardzalnymi lub termoplastycznymi w celu przygotowania prepregu. Następnie forma jest podgrzewana i utrzymywana w stałej temperaturze. Następnie prepreg jest umieszczany w formie, krawędzie są prasowane, a forma zamykana. Temperatura formy jest podnoszona do temperatury formowania, wywierane jest ciśnienie, a po utrwaleniu cieplnym forma jest chłodzona i oddzielana. Na koniec gotowy produkt jest wyjmowany w celu naprawy. Podczas formowania na gorąco należy uważnie monitorować warunki formowania. Na przykład, temperatura utwardzania hełmów kompozytowych UHMWPE zazwyczaj nie przekracza 130°C. Schemat blokowy procesu formowania na gorąco hełmów kuloodpornych przedstawiono na rysunku 5.



Jak pokazano w tabeli 3 powyżej, produkty wytwarzane w procesie formowania na gorąco charakteryzują się wysoką precyzją formowania i stabilnością wymiarową, spełniając wysokie standardy ochrony. Charakteryzują się również dobrą spójnością produktu i nadają się do produkcji na dużą skalę. Należy jednak pamiętać, że koszty produkcji są wysokie, a wysoka temperatura i ciśnienie pochłaniają znaczną ilość energii. Dzięki temu nadają się do znormalizowanej, masowej produkcji, na przykład do produkcji wysokowydajnych hełmów kuloodpornych, w ramach konwencjonalnego sprzętu wojskowego.

3.4 Technologia formowania w wymiarach netto

Technologia formowania siatkowo-wymiarowego, znana również jako technologia formowania wtryskowego z żelem, to zaawansowana metoda formowania, szeroko stosowana w ceramice, kompozytach z osnową metalową i innych dziedzinach. Jej zasada działania polega na równomiernym mieszaniu monomerów organicznych, środków sieciujących i innych dodatków z proszkiem ceramicznym lub metalowym w celu utworzenia zawiesiny. Po wtryśnięciu do formy, inicjator inicjuje reakcję polimeryzacji monomerów, powodując żelowanie i zestalanie się zawiesiny in situ. Technologia ta oferuje znaczące korzyści, umożliwiając produkcję półfabrykatów o złożonych kształtach i wysokiej dokładności wymiarowej. Półfabrykaty charakteryzują się dobrą jednorodnością i wysoką wytrzymałością, co skutecznie ogranicza późniejsze przetwarzanie. Na przykład, w produkcji wysokotemperaturowych elementów ceramicznych do silników lotniczych, technologia ta umożliwia precyzyjne kształtowanie złożonych struktur wewnętrznych. Jednak ma ona niezwykle surowe wymagania dotyczące czystości surowców i kontroli parametrów procesu, a niektóre dodatki organiczne są kosztowne, co w pewnym stopniu ogranicza jej zastosowanie na dużą skalę. Jednak dzięki ciągłej optymalizacji i udoskonaleniom technologicznym, technologia formowania wtryskowego z żelem ma ogromny potencjał zastosowania w produkcji wysokiej klasy. Schemat technologii formowania granulatu przedstawiono na rysunku 6.


Jak pokazano w tabeli 3 powyżej, produkty wytwarzane w technologii formowania netto charakteryzują się wysoką wytrzymałością, dobrą jednorodnością i gęstą strukturą wewnętrzną, odporną na działanie pewnego stopnia sił zewnętrznych. Technologia ta charakteryzuje się wysoką wydajnością, stosunkowo długim cyklem formowania i wysokimi kosztami produkcji, co czyni ją idealną do produkcji złożonych komponentów w przemyśle lotniczym i elektronicznym, gdzie wymagana jest wyjątkowo wysoka dokładność kształtu i parametry mechaniczne.

4. Wnioski

Hełmy kuloodporne, jako indywidualny sprzęt ochronny żołnierzy, mogą skutecznie chronić żołnierzy i zmniejszać lub zapobiegać obrażeniom spowodowanym przez kule. Dlatego dogłębne zrozumienie systemu materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknami, rodzaju struktury tkaniny oraz technologii formowania materiałów kompozytowych stosowanych w hełmach kuloodpornych jest kluczowe dla badań nad nowymi typami hełmów kuloodpornych. Niniejszy artykuł przedstawia materiały kompozytowe, które charakteryzują się wyjątkowo wysoką sztywnością, wytrzymałością i współczynnikiem absorpcji energii, oferując lepszą ochronę balistyczną w porównaniu ze zwykłymi materiałami. Następnie omawia struktury tkanin balistycznych, które zapewniają jeszcze lepszą ochronę i efektywność absorpcji energii. Ponieważ proces produkcji skorupy hełmu odgrywa kluczową rolę w jego właściwościach ochronnych, podsumowano cztery technologie formowania materiałów kompozytowych stosowanych w hełmach kuloodpornych:

1) Formowanie ręczne pozwala uzyskać produkty o nierównomiernych właściwościach mechanicznych, niższej wydajności i niższych kosztach, nadające się do produkcji małoseryjnej lub niestandardowej.

2) Formowanie metodą transferu żywicy (RTM) pozwala uzyskać produkty o doskonałych właściwościach mechanicznych, wyższej wydajności i umiarkowanych kosztach inwestycyjnych, spełniając jednocześnie potrzeby zarówno produkcji masowej, jak i dostosowywania do potrzeb klienta.

3) Termoformowanie pozwala na uzyskanie produktów o dobrych właściwościach mechanicznych, ale o wyższych kosztach wytwarzania, dzięki czemu nadają się one do masowej produkcji.

4) Formowanie granulacyjne pozwala na uzyskanie produktów o dużej wytrzymałości i wyższej wydajności, ale wyższych kosztach produkcji. Jest ono przydatne w przypadku produkcji skomplikowanych komponentów, które mają wyjątkowo wysokie wymagania dotyczące dokładności kształtu i właściwości mechanicznych.

Chociaż procesy formowania kompozytowych hełmów kuloodpornych są stosunkowo zaawansowane, wiele problemów wciąż wymaga rozwiązania. W obliczu coraz bardziej złożonego otoczenia międzynarodowego i rozwoju technologii informatycznych, projektowanie kolejnej generacji hełmów kuloodpornych będzie w większym stopniu ukierunkowane na wymagania dotyczące lekkości, wielofunkcyjności i inteligencji, a także niskich kosztów, przy jednoczesnym zachowaniu zrównoważonych możliwości produkcyjnych. Pozwoli to sprostać potrzebom przyszłych działań wojennych w zakresie ochrony, inteligencji, komfortu i adaptacji hełmów, szybkiej produkcji i personalizacji, a także znacząco poprawić skuteczność bojową żołnierzy na polu bitwy.