Włókno aramidowe charakteryzuje się wysoką wytrzymałością właściwą i dużym wydłużeniem przy zerwaniu, dzięki czemu może w wielu dziedzinach całkowicie zastąpić materiały kompozytowe z włókna szklanego i żywicy.
Obecnie kraje na całym świecie nieustannie rozwijają i optymalizują różne nowe materiały balistyczne w celu zwiększenia ochrony balistycznej pojazdów i poszczególnych żołnierzy. Wysokowydajne materiały kompozytowe z włókien charakteryzują się lekkością, wysoką wytrzymałością i doskonałą odpornością balistyczną. Są one najlepiej zbadanymi, najszybciej rozwijającymi się i najbardziej obiecującymi materiałami balistycznymi. Kraje rozwinięte militarnie reprezentowane przez Stany Zjednoczone zwracają szczególną uwagę na rozwój wysokowydajnych włókien antybalistycznych i ich materiałów kompozytowych. Narodowe instytucje naukowo-badawcze w dziedzinie obrony, takie jak US Army Research Laboratory i uniwersytety finansowane przez Ministerstwo Obrony, przeprowadziły wiele prac badawczych w ostatnich latach. Niniejszy artykuł przedstawia głównie badania i rozwój, status zastosowań i poziom wydajności włókna aramidowego, włókna węglowego i włókna PBO za granicą.
1. Włókno aramidowe
Włókna aramidowe charakteryzują się wysoką wytrzymałością właściwą i dużym wydłużeniem przy zerwaniu. Przy tej samej gęstości powierzchniowej odporność balistyczna kompozytów aramid/żywica jest 2 do 3 razy większa niż kompozytów włókno szklane/żywica. Może być stosowany w wielu dziedzinach. Kompleksowa wymiana kompozytów włókno szklane/żywica.
Instytucje takie jak Joint Army Research Laboratory of Clemson University w Stanach Zjednoczonych wykorzystują tradycyjną metodę elementów skończonych do przeprowadzania analizy numerycznej maty z włókien antybalistycznych w celu określenia odporności materiału na penetrację oraz ogólnego ugięcia, odkształcenia i odpowiedzi na uszkodzenia w wyniku uderzenia. Naukowcy z zespołu zoptymalizowali i ulepszyli model obliczeń i analizy ochrony przed uderzeniami balistycznymi/wybuchem płasko tkanych kompozytów matrycowych polimerowych wzmocnionych włóknami. W 2014 r. zbadano związek między mikrostrukturą a wydajnością materiałów na bazie PPTA (poli-p-fenylenotereftalamid) i opracowano metodę obliczeń w skali wielodługości w celu określenia wpływu różnych cech mikrostrukturalnych w różnych skalach na filc na bazie PPTA. Wpływ tkaniny lub kompozytów matrycowych polimerowych wzmocnionych włóknami PPTA na makroskopową odporność na penetrację balistyczną.
Cassino we Włoszech i Uniwersytet Południowego Lacjum połączyły filc o splocie płóciennym z żywicą termoutwardzalną, aby uzyskać laminaty, i przeprowadziły numeryczne prognozowanie modelu Walkera i testy balistyczne na przygotowanym pancerzu kompozytowym. US Army Research Laboratory i in. zastosowali płaski, przezroczysty monofilament nylonowy w kształcie paska jako wzmocnienie i przygotowali materiał kompozytowy o przepuszczalności światła około 40% z przezroczystą żywicą epoksydową dopasowaną do jej współczynnika załamania jako matrycą. Test balistyczny materiału pokazuje, że wartość V50 uzyskanego materiału jest większa niż 305 m/s, co jest wartością znacznie wyższą niż w przypadku żywicy epoksydowej i poliwęglanu.
Sandia National Laboratory w Stanach Zjednoczonych badało wpływ skręcania na właściwości udarności poprzecznej przędz z włókien elastycznych i mierzyło prędkość fali ścinającej Eulera wywołaną uderzeniem za pomocą kamery szybkoobrotowej. Wyniki pokazują, że prędkość fali ścinającej Eulera wzrasta wraz z liczbą skrętów w przędzy z włókien, co oznacza wyższą wydajność balistyczną. Dlatego stosowanie przędz z włókien skręconych w matach z włókien balistycznych może poprawić właściwości balistyczne materiału. Badano wpływ pola magnetycznego na właściwości balistyczne włókna aramidowego i włókna polietylenowego o ultrawysokiej masie cząsteczkowej. Naukowcy umieścili włókna aramidowe i włókna polietylenowe o ultrawysokiej masie cząsteczkowej pomiędzy dwoma zestawami przeciwległych magnesów ziem rzadkich, aby przetestować wpływ odpychania pola magnetycznego na właściwości balistyczne materiałów. Wyniki pokazują, że odpychanie magnetyczne może uniemożliwić pociskom wnikanie w przedni panel włókien aramidowych.
Nanomodyfikacja włókien aramidowych lub nanowypełnienie ich kompozytów również poprawi właściwości balistyczne. Naukowcy zwiększyli wytrzymałość międzyfazową poprzez wyhodowanie pionowych nanodrutów ZnO na powierzchni włókna. Wytrzymałość międzyfazowa włókna jest o 96,9% wyższa niż gołego włókna, a szczytowe obciążenie testu wyciągania jest zwiększone 6,5-krotnie. Nanodruty ZnO zwiększają wydajność wyciągania włókien, co z kolei zwiększa poziom ochrony balistycznej materiału przed uderzeniami.
Naukowcy badali wpływ wypełniaczy nanocząsteczkowych na odporne na uderzenia kompozyty i przeprowadzili testy balistyczne V50 na kompozytach włóknistych wypełnionych zmielonymi włóknami węglowymi i nanocząsteczkami (nanorurki węglowe i cząstki gumy rdzeń-powłoka). Wyniki pokazują, że wypełniacz cząstek gumy nano-rdzeń-powłoka jest skuteczny w pochłanianiu energii podczas uderzenia ze względu na efekt kawitacji, a także znacznie poprawia wydajność balistyczną. Wypełniacze nanorurek węglowych mogą poprawić wydajność interfejsu matryca-włókno, a także znacznie poprawić wydajność balistyczną. Oba mogą poprawić wydajność antybalistyczną V50 materiału kompozytowego. Dodanie 1% frakcji masowej zmielonych włókien węglowych i dodanie 1% nanocząsteczek do materiału kompozytowego może zwiększyć V50 o 7,3% (nanorurki węglowe) i 8% (cząstki gumy rdzeń-powłoka) w stosunku do próbki odniesienia, odpowiednio.
2. Włókno węglowe
Moduł Younga włókna węglowego jest zwykle ponad trzykrotnie większy od tradycyjnego włókna szklanego i ma ważny potencjał zastosowania w odciążaniu sprzętu wojskowego i poprawie przeżywalności. W 2015 r. Georgia Institute of Technology w Stanach Zjednoczonych opracował nowy proces przygotowywania ciągłych włókien węglowych z przędzy żelowej w oparciu o technologię przędzenia poliakrylonitrylu (PAN). Średnia wytrzymałość na rozciąganie przygotowanych włókien węglowych na bazie PAN wynosi od 5,5 do 5,8 GPa. , moduł rozciągania wynosi od 354 do 375 GPa, a moduł rozciągania jest o 25% do 36% wyższy niż w przypadku włókna węglowego na bazie PAN typu IM7, szeroko stosowanego w lotnictwie i kosmonautyce. najwyższa kombinacja wartości. W przyszłości, dzięki optymalizacji materiałów i procesów, wytrzymałość i moduł włókien węglowych na bazie PAN zostaną jednocześnie ulepszone.
3. Włókno PBO
Włókno PBO zostało pierwotnie opracowane przez US Air Force, a późniejsze produkty były produkowane przez japońskie firmy. Włókno PBO jest znane jako przyszłe włókno o ultrawysokiej wydajności, które może zastąpić włókno aramidowe. Włókno to ma niższą gęstość niż włókno aramidowe, ale jego właściwości mechaniczne i odporność na środowisko są znacznie lepsze od innych włókien aramidowych.
W 2006 r. Uniwersytet Kalifornijski podpisał umowę z Armią Stanów Zjednoczonych na przeprowadzenie testów balistycznych w celu określenia balistycznej wydajności włókien Zylon. Wyniki pokazują, że włókno Zylon ma lepsze parametry niż Kevlar29, a gdy jest stosowane w pancerzach, skutecznie zwiększa wydajność ochrony i mobilność. Chociaż włókna PBO mają zalety lekkości, wysokiej wytrzymałości i wysokiego modułu, są ograniczone przez degradację właściwości mechanicznych podczas stosowania w zastosowaniach ochronnych. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy opracowali proces obróbki końcowej dyfuzji odczynnika chemicznego nadkrytycznego CO2 w celu obróbki włókien PBO, tak aby zmniejszyć tempo spadku ich właściwości mechanicznych i wydłużyć ich żywotność. Naukowcy z University of Massachusetts Amherst badali stabilizację włókien PBO po obróbce nadkrytycznym CO2, wykorzystując nadkrytyczny CO2 jako ekstrahent w celu wyekstrahowania resztkowego kwasu fosforowego i wody z włókien PBO oraz stosując go jako medium do wprowadzania różnych substancji. Substancja neutralizuje kwas fosforowy i osłabia efekt degradacji wody i kwasu na włókna PBO.
Laminowanie włókien balistycznych może być czynnikiem degradacji wydajności. Naukowcy zbadali wpływ składania na degradację wydajności balistycznych włókien PBO i określili eksperymentalnie wpływ tego mechanizmu uszkodzenia na wydajność ochrony pancerza. Przeprowadzili również dalsze badania nad wpływem składania na wewnętrzną strukturę włókien elastycznych. Japońscy naukowcy przeprowadzili wiele badań nad włóknami PBO. Na przykład badali obróbkę cieplną w celu poprawy wytrzymałości na rozciąganie i zmęczenie włókien PBO o wysokim module sprężystości oraz badali wpływ szybkości ścinania na wytrzymałość na rozciąganie włókien PBO o wysokim module sprężystości.
