Primjena ugljičnih vlakana u balističkim kompozitnim materijalima

Balistički kompozitni materijali dolaze u mnogim oblicima i nude različite razine učinkovitosti. Među njima, kompoziti ojačani-vlaknima ističu se svojom malom težinom i velikom otpornošću na prodiranje. Oni su balistički materijali koji se danas najviše proučavaju i najbrže{3}}rastući segment na tržištu.

Vlakna visokih{0}}učinkovitosti koja se obično koriste u balističkim kompozitima-ojačanim vlaknima uključuju vlakna kevlara, ugljična vlakna, polietilenska vlakna ultra-visoke-molekularne-težine (UHMWPE) i staklena vlakna. Jedno pitanje o kojem se često raspravlja u industriji jest mogu li se sama karbonska vlakna koristiti za balističku zaštitu.

Principi rada balističkih kompozita

Kada projektil probije kompozitni materijal, istovremeno se javlja nekoliko mehanizama oštećenja. To uključuje raslojavanje laminata, odvajanje vlakana od smole, otkazivanje vlakana zatezanjem i deformaciju stražnje strane. Tijekom tih procesa postupno se smanjuje kinetička energija projektila, što dovodi do balističke zaštite.

Nakon udara, na kontaktnoj točki se generiraju valovi naprezanja. Ti se valovi šire na dva glavna načina. Prvo putuju duž osi vlakana. Vlakna su spojena smolom na mjestima sjecišta. Kada valovi naprezanja dosegnu te točke, prenose se na druga vlakna. To povećava područje distribucije naprezanja i pomaže u raspršivanju energije. Drugo, kada valovi naprezanja dođu do sučelja vlakna i smole, dolazi do refleksije i formiranja delaminacije. Ovaj proces apsorbira dodatnu energiju.

U balističkim kompozitima-ojačanim vlaknima, udarna površina uglavnom doživljava slom na smicanje, dok stražnja strana uglavnom doživljava vlačni slom. Iz tog razloga, kompoziti ojačani jednom vrstom vlakana često ne mogu postići optimalnu balističku izvedbu. Kombinacijom različitih vlakana i oblikovanjem slojevite strukture može se postići bolja balistička zaštita.

Pregled karbonskih vlakana

Karbonska vlakna se odnose na vlakna u kojima ugljik čini više od 90% ukupne mase. Proizvodi se od organskih vlakana reakcijama čvrste-faze i tvori vlaknasti polimerni ugljikov materijal. Ugljična vlakna su poznata po svojoj maloj težini, visokoj čvrstoći, visokom modulu, otpornosti na toplinu, otpornosti na udarce, kemijskoj stabilnosti i malom toplinskom širenju.

Međutim, karbonska vlakna imaju malo istezanje pri lomu i ograničenu žilavost. Zbog toga se rijetko koristi sam i uglavnom se primjenjuje kao materijal za ojačanje u kompozitima.

Balistički prsluci i drugi zaštitni oklopi oslanjaju se na slojevite materijale koji mogu apsorbirati i distribuirati energiju udarca. Ovi materijali obično imaju visoku vlačnu čvrstoću i mogu se deformirati pod stresom, što pomaže u raspršivanju energije metka.

Iako karbonska vlakna imaju vrlo visoku čvrstoću, imaju slabu duktilnost i ograničenu sposobnost apsorpcije i raspršivanja kinetičke energije. Također je krhka i sklona lomu pod udarom ili opetovanim opterećenjem. Kao rezultat toga, kompoziti od karbonskih vlakana izrađeni samo od smole i karbonskih vlakana nisu učinkoviti za balističku zaštitu. U praksi se ugljična vlakna obično kombiniraju s drugim vlaknima visokih-učinkovitosti kako bi se postigla balistička učinkovitost.

Ako ugljična vlakna nisu prikladna kao glavni -materijal za zaustavljanje metaka, zašto se i dalje koriste u nekim balističkim kompozitima?

Ugljična vlakna cijenjena su zbog svoje visoke specifične čvrstoće i izdržljivosti. Kada se koristi kao komponenta za pojačanje u balističkim materijalima, posebno u kombinaciji s kevlarom ili drugim balističkim vlaknima, poboljšava otpornost na probijanje i fragmentaciju. Istodobno smanjuje ukupnu težinu, što povećava udobnost nošenja i mobilnost.

Ugljična vlakna uglavnom doprinose na sljedeće načine:

Strukturno ojačanje:
Karbonska vlakna dodaju strukturni integritet kompozitnim balističkim materijalima. Kada je obložen kevlarom ili drugim balističkim vlaknima, pomaže u održavanju cjelovitosti materijala nakon udarca i podržava distribuciju energije udarca, smanjujući rizik od proboja.

Smanjenje težine:
Balistički kompoziti obično se oslanjaju na više{0}}slojne strukture za zaustavljanje projektila. Niska gustoća karbonskih vlakana pomaže smanjiti ukupnu težinu, poboljšavajući udobnost i fleksibilnost za korisnika.

Karbonska vlakna nude veliku čvrstoću i malu težinu, ali zbog svoje krtosti i ograničene sposobnosti apsorpcije energije sama po sebi nisu balistička. Njegova krutost i sklonost lomljenju pri udaru smanjuju njegovu učinkovitost u zaustavljanju metaka. Međutim, kada se koristi kao dio kompozitnog sustava, karbonska vlakna mogu podržati balističke performanse. Kombinacijom njegove strukturne čvrstoće s drugim vlaknima koja apsorbiraju i raspršuju energiju, može se postići učinkovita balistička zaštita.

Neki sadržaji dobiveni online; obratite nam se za zahtjeve za uklanjanje ako je primjenjivo.