Osłony batalistyczne - lamianty na bazie tkanin aramidowych.pdf - Ogólnie - ChomikASFu

mjrdrinŜ.MarekSZUDROWICZ*

ppłkdrinŜ.KrzysztofRUTYNA**

mjrdrinŜ.KrzysztofJAMROZIAK***

*WojskowyInstytutTechnikiPancernejiSamochodowej

**WojskowaAkademiaTechniczna

***WyŜszaSzkołaWojskLądowych

OSŁONYBALISTYCZNE–

LAMINATYNABAZIETKANINARAMIDOWYCH

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat wynaleziono

nowe i zmodyfikowano istniejące materiały, których

włókna wykazują wysoką wytrzymałość. Są wśród nich

włókna węglowe, szklane, włókna polimerowe, w tym

nowewłóknaaramidoweorazwłóknapolietylenowe.Jako

osłonybalistycznestosowanesąoneczęstojakopakiety

luźnych tkanin lub w postaci laminatów. W artykule

zaprezentowano wyniki badań eksperymentalnych

odporności na przebicie laminatów wytworzonych na

bazie tkanin z włókien aramidowych o róŜnej matrycy.

Badaniateobejmowałykuloodporność(pociski9x19mm

oraz 5,56mm) oraz odporność na przebicie odłamkami

(granatRG42).

1.Wstęp

Energiakinetycznapociskujestjednymzgłównychparametrówdecydującycho

wyborzemateriału,którymabyćuŜytyprzykonstrukcjiosłony.Dlamałychenergii

uderzenianp.dlapociskówsymulującychodłamkilubamunicjiomałymkalibrze(o

energiikinetycznejponiŜej700J)zastosowanieluźnozłoŜonych(pakietów)tkaninz

włókien wysokowytrzymałych jest wystarczające do zatrzymania pocisku.

Zachowane zostaje małe odkształcenie tylnej strony osłony, co jest istotne przy

produkcji osłon do ochrony osobistej np. w kamizelkach kuloodpornych. Dla

laminatów na bazie włókien wysokowytrzymałych, przy małych prędkościach

uderzenia, odporność na uderzenie wzrasta wraz ze wzrostem wytrzymałości

włókien i wytrzymałości osnowy oraz odwrotnie proporcjonalnie do modułu

spręŜystości.Dlaenergiipociskówzzakresu700–3000J,niektórzybadaczesugerują

stosowanie laminatów wykonanych z włókien o wysokim module spręŜystości i

wytrzymałości, w osnowie polimerowej. Właściwości osłony w ujęciu

makroskopowymsąwtedyzbliŜonedowłaściwościmateriałówkruchych,poniewaŜ

odkształcenie laminatu, w kierunku uderzenia, jest bardzo małe. Inni badacze

sugerująwykorzystaniewłókienomałymmodulespręŜystościiduŜymwzględnym

wydłuŜeniu, w osnowie polimerowej. Takie laminaty mają tendencję do deformacji

przed wystąpieniem perforacji tak, Ŝe energia pocisku jest rozpraszana częściowo

takŜepoprzeznadanieosłonieenergiikinetycznej.

207

2.Wybórmateriałów

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat wynaleziono nowe i zmodyfikowano

istniejącemateriały,którychwłóknawykazująwysokąwytrzymałość.Sąwśródnich

włóknawęglowe,szklane,włóknapolimerowe,wtymnowewłóknaaramidoweoraz

włóknapolietylenowe(tabela1).

Tabela1.Podstawowewłaściwościwybranychwłókienwysokowytrzymałych

WŁÓKNA

GĘSTOŚĆ

[g/cm 3 ]

MODUŁ

SPRĘśYSTOŚCI

[GPa]

WYTRZYMAŁOŚĆNA

ROZCIĄGANIE

[GPa]

T700(węglowe)

1,80

228

4,83

T1000G(węglowe) 1,80

297

6,38

E–szkło

2,58

3,45

R–szkło

2,55

4,33

S2–szkło

2,49

4,59

Hollex(szkło)

1,80

3,45

Kevlar49

1,45

120

3,62

Kevlar29

1,44

3,62

Twaron

1,44

3,15

TwaronHM

1,45

124

3,15

Technora

1,39

3,04

Spectra900(PE)

0,97

117

2,68

Spectra1000(PE) 0,97

173

3,12

Dyneema(PE)

0,97

2,70

Dobierając materiał do zastosowania jako osłony balistyczne naleŜy przede

wszystkimrozwaŜyćzaleŜnośćefektywnościodkosztu.Wtymceluistniejepotrzeba

odpowiedzenianapytanie,codladanejaplikacjijestmiarąefektywności.

JeŜeli miarą efektywności będzie tylko zapewnienie określonego poziomu

ochronytorozwiązaniemspełniającymw/wkryteriumsąnadalosłonymetalowenp.

stalowe. W przypadku laminatów są to laminaty z tkanin szklanych. Za tymi

rozwiązaniami materiałowymi przemawia fakt łatwości ich montaŜu na pojazdach,

zarównonazewnątrzjakiwewnątrzpojazdów.Materiałytemogąstanowićelementy

konstrukcyjnepojazdów.WarunkiemuŜyciatychmateriałówjestto,Ŝeniestawiasię

dodatkowych wymagań dotyczących elastyczności osłony i obniŜenia masy. Przy

warunku, Ŝe osłona taka ma być elastyczna, łatwa w formowaniu, z laminatów

szklanychnaleŜyzrezygnować.

JeŜeli miarą efektywności będzie zapewnienie poziomu ochrony przy

jednoczesnym maksymalnym obniŜeniu masy osłony to odpowiednimi są płyty

balistyczne Spectra lub kompozyty SpectraShield. Są one jednak jednym z

droŜszychrozwiązań.

W przypadku, gdy istnieje pewien margines ze względu na masę,

najodpowiedniejszymi wydają się być tkaniny aramidowe. Na ich korzyść, oprócz

właściwości,przemawiafaktichdostępnościnarynkueuropejskimikrajowym.Do

dalszychbadańprzyjętotkaninęaramidowąonastępującychwłaściwościach:

gęstośćpowierzchniowa–0,46kg/m 2

grubość–0,6mm

wytrzymałośćnarozciąganie(próbka50mm)14,0kN

modułYounga–7,5GPa

208

odkształcenieprzymaxobciąŜeniu11mm

napręŜenieprzymaxobciąŜeniu500MPa

splotpłócienny

gęstośćnitekna10cm–66/66(wątek/osnowa)

3360/3360dtex(wątek/osnowa)

W kompozytach wzmacnianych włóknami osnowa polimerowa pełni kilka

funkcji. Przeciwdziała przesuwaniu się włókien i tworzy ośrodek, przez który

zewnętrzne obciąŜenie jest przekazywane do włókien. Odpowiednia adhezja jest

podstawą maksymalnego przekazywania obciąŜenia ze słabej osnowy do

wysokowytrzymałych włókien. Osnowa powinna chronić włókna przed

mechanicznymuszkodzeniemlubniekorzystnymwpływemsubstancjichemicznych.

Takieoddziaływaniamogągenerowaćwadyprowadzącedopękania,juŜdlaniskich

wartościnapręŜeń.

Przygotowanopięćrodzajówlaminatów.Wszystkieznichzawierałytakąsamą

ilośćtkanin,róŜniłysiętylkorodzajemosnowy.Podstawowewłaściwościlaminatów

zebranowtabeli2.

Tabela2.Zestawieniewłaściwościwytrzymałościowychbadanychlaminatów.

Laminat

grubość[mm]

4,7

4,8

4,65

5,5

gęstośćpowierzchniowa

[kg/m 2 ]

5,9

4,9

5,2

5,5

5,3

gęstość[g/cm 3 ] 1,255 1,020 1,118 1,000 1,06

udziałwłókienwlaminacie[%] 62,4

75,1

70,8

66,9

69,4

wytrzymałośćnarozciąganie

[kN]

(wg.ASTMD63899pr.typ1)

19,6

sigma

0,5

10,0

sigma

0,28

19,3

sigma

0,95

21,9

sigma

0,262

22,9

sigma

0,533

modułYounga[MPa]

12255

sigma

184,8

4271

sigma

387

7458

sigma

894

7060

sigma

113

6836

sigma

209

wydłuŜenieprzymax

obciąŜeniu[mm]

3,9

7,7 10,24

7,6

napręŜenieprzymax

obciąŜeniu[MPa]

273,9

sigma

6,99

149,3

sigma

2,85

303,4

sigma

14,9

301,4

sigma

3,6

352,5

sigma

8,2

wytrzymałość na rozdzieranie

[kN]

(szer.próbki50mm,odcinek

pom.100mm)

0,008

sigma

0,003

0,0893

sigma

0,01

0,084

sigma

0,04

0,115

sigma

0,02

wytrzymałośćnaścinanie[kN]

(próbkaopow.25x25mm)

0,165

sigma

0,04

1,42

sigma

0,27

1,86

sigma

0,23

2,85

sigma

0,7

3.Badaniakuloodporności

W pierwszym etapie do laminatów oddano po trzy strzały. UŜyto pocisków

9x19mm Parabellum, wystrzeliwanych z broni PM84 z odległości 3m. Laminat E

zostałprzebity(rys.1),pozostałelaminatybyłyodpornenaprzebicie.

209

Rys.1.LaminatE.Polewejstronafrontowa,poprawejtyłlaminatu.

W kolejnym etapie badań przygotowano próbki laminatów S, N1, N2, N3.

ZrezygnowanozdalszychbadańlaminatuE.

Przygotowano po trzy próbki z kaŜdego rodzaju laminatów, które zostały

przyklejonedostalowejblachykaroseryjnejogrubości0,55mm.Takprzygotowane

próbki były zaciskane w uchwycie – dwie ramki stalowe skręcane po obwodzie

śrubami. Uchwyt zaciskał próbkę równomierne na całym obwodzie próbki. Do tak

przygotowanychpróbekoddawanopojednymstrzale,wśrodekpróbki,zodległości

3m.

PrzyklejenielaminatówdocienkichblachstalowychmiałonaceluumoŜliwienie

określenia wielkości deformacji laminatów. Po badaniach mierzona była wielkość

ugięcia blachy stalowej. Powierzchnię odniesienia przy pomiarach stanowiły

fragmentyblachyzaciśniętewuchwycie.Wynikibadańprzedstawionowtabeli3.

Tabela3.Wynikipomiarówugięcia.

Rodzaj

laminatu

Prędkość

pocisków[m/s]

numer

próbki

ugięcieblachy

[mm]

wartość

średnia

353

blachyzostałyrozerwanei

mocnoodkształcone

348

357

366

26,2

28,3

sigma1,9

352

28,7

352

29,9

352

29,8

sigma0,8

356

30,5

356

29,0

360

26,3

27,2

sigma0,9

359

28,0

360

27,2

MoŜna zauwaŜyć, Ŝe penetracja laminatów przebiega dwuetapowo. W

początkowej fazie mamy do czynienia z mechanizmami charakterystycznymi dla

uderzeniazduŜąprędkościątj.ścinaniemizrywaniemwłókien(rys.2).

210

a)b)

Rys.2. Druga warstwa tkanin w laminatach N1 (a) i N2 (b) – ścinanie i zrywanie

włókien.

Następujedeformacjapociskuizmniejszaniejegoprędkości.Wdrugimetapie,

decydującą rolę w rozpraszaniu energii pocisku zaczyna odgrywać delaminacja.

Powierzchnia utraty połączenia osnowy i tkaniny powiększa się. Dla laminatów o

małej adhezji tkanin, laminaty S, delaminacja jest największa, widoczne jest

ciągnięcie nici w kierunkach wątka i osnowy tkaniny (rys. 3). Odkształcenie tych

laminatówjestnajwiększe.WlaminatachseriiNniezauwaŜalnejestwyciąganienici

ztkanin(rys.3).

Obszardelaminacji

Wyciąganienici Obszar delaminacji

Wyciąganienici

Rys.3.PiątatkaninawlaminacieSiczwartatkaninawlaminacieN1.

Wkolejnymetapiebadańbyłosprawdzenieodpornościlaminatównaprzebicie

pociskamizrdzeniemstalowym.Dobadańwybranopocisk5,56mmFMJ(tabela4).

W celu sprawdzenia odporności poszczególnych rodzajów laminatów na

przebicie pociskami 5,56mm FMJ przeprowadzono badania kuloodporności dla

laminatów o róŜnych grubościach. Przyjęto następującą zasadę przygotowania

próbekdobadań.

Grubość laminatów, dla której rozpoczęto badania, była sumą grubości

sklejonychsześciupojedynczychlaminatówoformacie250x300,codawałogrubość

wyjściowąokoło30mmigęstośćpowierzchniowąokoło30kg/m 2 .DoklejeniauŜyto

materiałów osnowy. Następnie zwiększano ilość pojedynczych laminatów, aŜ do

osiągnięcia braku przebicia lub otrzymania cięŜaru laminatu, powstałego po

sklejeniu, około 50kg na 1m 2 (odpowiadało to sklejeniu dziesięciu pojedynczych

211

Osłony batalistyczne - lamianty na bazie tkanin aramidowych.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: