С применением передовых технологий в военной войне ситуация с личными и имущественными потерями становится все более сложной. Поэтому необходимо также провести углубленные исследования и применение пуленепробиваемых материалов. Керамическая броня и армированные волокнами композиционные материалы являются важными направлениями исследований и приложений. Дан обзор новой композитной пуленепробиваемой керамической пластины и арамидных пуленепробиваемых композиционных материалов, проведено сравнение новой композитной пуленепробиваемой керамической пластины с традиционной пуленепробиваемой пластиной, приведены ее характеристики и некоторые проблемы, которые все еще существуют в текущих исследованиях и применении. проанализировано; выполнен противопульный механизм из арамидного пуленепробиваемого композиционного материала. Подробно описать и указать основные факторы, влияющие на эксплуатационные характеристики арамидных баллистических композиционных материалов.
01
Новая композитная керамическая пуленепробиваемая пластина.
Исследования керамической брони являются важной частью разработки и применения противопульных композиционных материалов. Эффект баллистической защиты керамической брони превосходит эффект обычной броневой стали. В настоящее время наиболее широко исследуются и применяются пассивная броня и реактивная броня. Что касается пуленепробиваемого механизма, материал брони реактивной брони будет генерировать кинетическую энергию после возбуждения пулей, и кинетическая энергия реагирует на пулю, в то время как пассивная броня сопротивляется воздействию пули благодаря своим собственным характеристикам. Сегодня США, Россия и другие страны используют керамику и композиционные материалы для разработки бронесистем с большей весовой эффективностью, а также разработали керамическую панельную броню, которая получила широкое распространение.
1.1 Пуленепробиваемый механизм
Когда пуля попадает в композитную керамическую пуленепробиваемую пластину на высокой скорости, используется принцип силы действия и силы реакции, заставляющий ее войти в пуленепробиваемую пластину на высокой скорости, а затем на высокой скорости отскочить от нее с противоположной силой внутри, образуя примерно круглое пулевое отверстие на поверхности. Он достигает цели разрушения только поверхности пуленепробиваемой пластины, не вызывая фатального повреждения всей композитной пуленепробиваемой пластины, тем самым обеспечивая пуленепробиваемость.
1.2 Эксплуатационные характеристики новых композитных керамических бронепластин
Основные характеристики керамических материалов приведены в таблице 1.
Керамические материалы обладают высокой удельной жесткостью, высокой удельной прочностью и химической инертностью во многих средах. В то же время их малая плотность, высокая твердость и высокая по сравнению с металлами прочность на сжатие делают их более широко используемыми. Алюминий высокой чистоты имеет более высокую плотность, меньшую твердость и вязкость разрушения, поэтому его упругое сопротивление ниже; структура карбидокремниевой керамики обуславливает ее высокую прочность, высокую твердость, износостойкость, коррозионную стойкость, высокую теплопроводность и другие свойства; Диборид титана имеет высокий модуль упругости; Карбид бора имеет высокую температуру плавления, превосходную твердость и механические свойства, а его плотность является самой низкой среди нескольких широко используемых керамических материалов. Кроме того, высокий модуль упругости делает его идеальным выбором для военной брони. и хороший выбор материалов в космической сфере.
Основные характеристики композиционных материалов приведены в таблице 2.
Помимо определенного модуля упругости, пуленепробиваемые композиционные материалы также должны обладать хорошим удлинением, вязкостью разрушения, высокой удельной прочностью и способностью сохранять хорошие характеристики при скоростях деформации. E-стекло имеет высокую прочность на разрыв, но низкую ударную вязкость, в то время как кевларовый материал имеет низкую плотность, высокую прочность, хорошую ударную вязкость, устойчивость к высоким температурам, а также легко обрабатывается и формуется. Бор обладает характеристиками низкой плотности, высокой удельной прочности и высокого модуля упругости.
1.3 Характеристики новых композиционных керамических материалов бронеплит
Новые композитные керамические пуленепробиваемые панели имеют несравненные преимущества перед традиционными пуленепробиваемыми панелями. См. Таблицу 3 для конкретных сравнений.
(1) Выдерживает несколько попаданий пуль.Этот материал может выдерживать непрерывное воздействие нескольких пуль на одну и ту же поверхность одновременно, не разрушаясь при этом. Он будет образовывать на поверхности лишь примерно круглые пулевые отверстия, не влияя на пуленепробиваемость других частей материала.
(2) Он имеет хорошую конструктивную возможность.Композитные керамические пластины могут производить изгибную деформацию под соответствующими углами и после деформации возвращать свою первоначальную форму. Они могут быть преобразованы в композитные керамические пуленепробиваемые материалы различной формы, например, с плоской, изогнутой и наклонной поверхностью.
(3) Можно отремонтировать и использовать повторно.После попадания пули круглые пулевые отверстия на поверхности можно заполнить керамическими пуленепробиваемыми корпусами и повторно соединить пуленепробиваемым клеем, чтобы восстановить характеристики исходного материала.
(4) Высокая надежность в использовании.Этот материал всесторонне использует баллистические свойства высокоэффективных керамических пластин, пластин UHWMPE и пластин TC4, что делает баллистическую стойкость лучше, чем у отдельных материалов, и может эффективно блокировать различные характеристики пистолетов и связанных с ними проникающих бомб малого и среднего калибра.
(5) Технология имеет высокую зрелость и широкие возможности проектирования.Этот материал уже имеет достаточно зрелый производственный процесс и может быть разработан в соответствии с индивидуальными потребностями в соответствии с фактическими потребностями для удовлетворения различных потребностей в пуленепробиваемости.
1.4 Проблемы с современными пуленепробиваемыми композитными материалами
Поскольку пуленепробиваемые композиционные материалы состоят из множества материалов, то основной механикой композиционных материалов и их структур являются неоднородность, анизотропия, сложные определяющие соотношения, сложные механизмы разрушения и сложные критерии прочности композиционных материалов. характеристики, тем самым увеличивая сложность и трудность анализа, расчета, испытаний и проектирования композиционных материалов, их структур и механизмов защиты. До сих пор пуленепробиваемые композиционные материалы имеют следующие проблемы.
(1) Недостаточное поглощение энергии.Непоглощенная энергия пуленепробиваемых материалов при использовании приведет к потерям личного состава и имущества, а также по мере модернизации оружия будет возрастать разрушительная сила оружия. Поэтому будущие исследования и применения должны быть сосредоточены на улучшении пуленепробиваемости и безопасности материалов в этом аспекте. .
(2) Вес недостаточно легкий.Вес пуленепробиваемых композитных материалов является важным фактором, определяющим возможность их продвижения и использования. Поэтому вес пуленепробиваемых композиционных материалов должен быть максимально уменьшен, обеспечивая при этом хорошую пуленепробиваемость.
(3) Усиление и ужесточение противоречий.Это противоречие зачастую трудно преодолеть, особенно в случае пуленепробиваемых керамических композиционных материалов. Добавление определенных упрочняющих материалов к пуленепробиваемым композитным материалам может снизить прочность материала. Однако если прочность материала увеличивается, ударная вязкость материала может снизиться. Поэтому требуется множество испытаний, чтобы найти наиболее подходящую прочность и ударную вязкость пуленепробиваемого материала. .
(4) Что касается совместимости композитных материалов, включая физические, химические, механические и другие характеристики материала, композитные материалы могут сочетать различные характеристики для обеспечения лучшей защиты.
Кроме того, есть еще такие проблемы, как интерфейс и цена, которые до конца не решены.
02
Арамидный пуленепробиваемый композитный материал
2.1 Пуленепробиваемый механизм
Когда волокнистый пуленепробиваемый материал подвергается воздействию энергии удара, он растягивается и деформируется. Поглощенная волокном энергия станет работой, необходимой для его деформации. Работа, необходимая для его деформации растяжения и разрушения, представляет собой энергию разрушения, также известную как работа разрушения. , энергия разрушения волокна связана с количеством волокон, участвующих в деформационном разрушении при растяжении. Параметром, который измеряет противобаллистические свойства волокон, является скорость поглощения энергии волокна (энергия разрыва на единицу массы волокна).
Когда волокнистые пуленепробиваемые материалы подвергаются внешнему воздействию, продольное напряжение, создаваемое этим ударом, будет быстро распространяться во всех направлениях в волокнистом материале, образуя «ударную волну» (т.е. звуковую волну). Скорость звука в волокнистых пуленепробиваемых материалах влияет на мгновенную диффузию энергии, которая определяет количество волокон, участвующих в поглощении энергии, тем самым влияя на пуленепробиваемый эффект материала. Следовательно, скорость звука в волокне является еще одним важным параметром, влияющим на баллистические характеристики волокна.
Формы волокон пуленепробиваемых материалов бывают прямыми и изогнутыми. Если форма волокна материала прямая, энергия будет распространяться в осевом направлении волокна без отражения, и поэтому энергия будет распространяться далеко и быстро; если форма волокна изогнута, или волокно. Если в волокне есть разрывы, точки изгиба или разрывы волокна будут отражать часть энергии, уменьшая мгновенный диапазон диффузии, а также будет уменьшен пуленепробиваемый эффект материала. . Видно, что пуленепробиваемый эффект двумерной двухмерной ткани из волокна будет лучше, чем у ткани полотняного переплетения.
Передача энергии часто сопровождается контактом между волокнами внутри одного слоя или между слоями. При передаче энергии удара происходит отражение энергии на границах раздела всех материалов, причем ситуации разнообразны и сложны. Поэтому наиболее эффективным путем распространения энергии удара является диффузия вдоль оси волокна.
2.2 Основные факторы, влияющие на характеристики арамидных пуленепробиваемых композиционных материалов
На характеристики пуленепробиваемых композиционных материалов в основном влияют модуль и содержание матричного материала, свойства волокнистого материала, метод плетения и процесс изготовления волокна.
2.2.1 Влияние модуля смолы матрицы на баллистические свойства композиционных материалов
Поскольку низкомодульная матричная смола обладает хорошими демпфирующими свойствами и способствует поглощению энергии, ламинаты, изготовленные из низкомодульной матричной смолы, обладают лучшими пуленепробиваемыми свойствами, чем высокомодульная матричная смола.
2.2.2 Влияние содержания смолы матрицы на баллистические свойства композиционных материалов
Содержание смолы в матрице оказывает очень важное влияние на баллистические свойства композиционных материалов. Увеличение объемного содержания волокон в композиционных материалах улучшит баллистические свойства, но если объемное содержание волокон слишком велико, баллистические свойства снизятся. Поскольку матричная смола в композитном материале может передавать напряжение в структурном блоке, но если объемное содержание волокон слишком велико, содержание матрицы в композитном материале будет слишком малым, что приведет к снижению эффективности сцепления между смолой и волокном и между волокном и волокном, таким образом, влияя на целостность ламината, эластичные свойства композиционного материала также уменьшаются. Объемное содержание волокон означает процентное соотношение объема волокон в ткани ко всему объему ткани, которое можно преобразовать в плотность площади. Плотность площади является важным фактором при измерении фактической применимости пуленепробиваемых панелей. Если он может соответствовать требованиям защиты, плотность площади должна быть как можно меньшей во время проектирования и применения, чтобы можно было значительно снизить стоимость и вес.
2.2.3 Влияние плотности поверхности ламината на баллистические характеристики ламината
Волокна будут иметь тенденцию соскальзывать, когда снаряды проникнут в ламинат, и некоторые волокна не смогут уменьшить проникновение снаряда. Если плотность поверхности увеличится, поглощенная энергия ламината увеличится, что указывает на то, что его баллистическая стойкость увеличивается с увеличением плотности площади. Баллистические характеристики ламината без утка лучше, чем у ламината полотняного переплетения.
2.2.4 Влияние структуры волоконной ткани на баллистические свойства ламинатов
По сравнению с тканями сатинового и полотняного переплетения двухмерные ткани имеют наименьшую степень обработки и наименьшую потерю прочности волокна. Волокна ткани будут расположены параллельно прямыми линиями с наибольшим значением сохранения прочности. Поскольку между волокнами нет прямых точек перекрытия, скорость усадки практически равна нулю, что эффективно уменьшает отражение волн деформации и позволяет избежать концентрации напряжений в локальных точках при ударе снарядов. Таким образом, энергия поглощения разрыва двумерной двухмерной ткани высока. Поскольку структура двумерной двухмерной ткани рыхлая, она способствует поглощению энергии, что делает ее лучшей пуленепробиваемой.
2.2.5 Влияние количества слоев ткани на баллистические свойства ламинатов
Ткани с низкой поверхностной плотностью обладают лучшими баллистическими свойствами. Баллистическая стойкость композиционных материалов определяется плетеными нитями, используемыми для волокон в материале, переплетением ткани, количеством слоев в каждом слое и расположением волокон. При заданном весе, чем тоньше и плотнее плетенка и чем больше слоев имеет материал, тем лучше будут баллистические свойства материала. Когда поверхностная плотность баллистического материала постоянна, следует рассматривать ткани с большим количеством слоев и меньшей плотностью на одной поверхности. В то же время улучшение характеристик самого волокна также улучшит баллистическую стойкость материала.
03
Приложения и тенденции развития
Усовершенствованные пуленепробиваемые композиционные материалы обладают высокой удельной прочностью, удельным модулем, дизайном и универсальностью и незаменимы во многих военных целях. Они являются базовыми факторами при проектировании и ключевыми технологиями индивидуальной защиты и современного оружия и вооружений. Следовательно, для организации, если она сможет войти в эту область исследований и приложений и стать квалифицированным поставщиком определенного типа продукции, это будет иметь большое стратегическое значение с точки зрения как социальных, так и экономических выгод.
Композиционные материалы обладают хорошими характеристиками, поскольку сочетают в себе соответствующие преимущества армирующих материалов и матриц. Они также являются наиболее быстрорастущими и наиболее перспективными пуленепробиваемыми материалами. Пуленепробиваемые материалы постепенно превращаются в диверсификацию и компаундирование, и появились различные новые пуленепробиваемые материалы с высокой твердостью и высокой вязкостью для решения более сложных задач защиты. С развитием легких и эффективных систем брони преимущества пуленепробиваемой керамики и пуленепробиваемых композиционных материалов, армированных волокном, становятся все более заметными. Новые композитные керамические пуленепробиваемые панели имеют несравненные преимущества по сравнению с традиционными пуленепробиваемыми панелями, но существующие проблемы нельзя игнорировать, поэтому мы фокусируемся на том, чтобы решить проблемы, существующие в пуленепробиваемых композитных материалах, в настоящее время в центре внимания исследований находится непрерывная оптимизация свойств материалов.
