Mit dem Einsatz moderner Technologie in der militärischen Kriegsführung wird die Situation von Personen- und Sachverlusten immer komplexer. Daher müssen auch kugelsichere Materialien eingehend erforscht und angewendet werden. Keramikpanzerungen und faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind wichtige Forschungs- und Anwendungsbereiche. Es wird ein Überblick über die neuen kugelsicheren Keramikverbundplatten und die kugelsicheren Aramidverbundwerkstoffe gegeben, ein Vergleich zwischen den neuen kugelsicheren Keramikverbundplatten und den herkömmlichen kugelsicheren Platten durchgeführt und ihre Eigenschaften sowie einige Probleme analysiert, die in der aktuellen Forschung und Anwendung noch bestehen. Der kugelsichere Mechanismus des kugelsicheren Aramidverbundwerkstoffs wird untersucht. Die wichtigsten Faktoren, die die Leistung von ballistischen Aramidverbundwerkstoffen beeinflussen, werden ausführlich beschrieben und aufgezeigt.
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Neue kugelsichere Platte aus Verbundkeramik
Die Forschung an Keramikpanzerungen ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung und Anwendung kugelsicherer Verbundwerkstoffe. Die ballistische Schutzwirkung von Keramikpanzerungen ist der von gewöhnlichem Panzerstahl überlegen. Derzeit werden passive Panzerung und reaktive Panzerung am häufigsten erforscht und angewendet. Im Hinblick auf den kugelsicheren Mechanismus erzeugt das Panzerungsmaterial in der reaktiven Panzerung kinetische Energie, nachdem es durch das Geschoss erregt wurde, und die kinetische Energie reagiert auf das Geschoss, während die passive Panzerung durch ihre eigenen Eigenschaften dem Aufprall des Geschosses widersteht. Heutzutage haben die Vereinigten Staaten, Russland und andere Länder Keramik und Verbundwerkstoffe verwendet, um Panzersysteme mit besserer Gewichtseffizienz zu entwickeln, und eine weit verbreitete Keramikpaneelpanzerung entwickelt.
1.1 Kugelsicherer Mechanismus
Wenn eine Kugel mit hoher Geschwindigkeit auf die kugelsichere Verbundkeramikplatte trifft, wird das Prinzip der Aktions- und Reaktionskraft genutzt, um zu bewirken, dass sie mit hoher Geschwindigkeit in die kugelsichere Platte eindringt und dann mit hoher Geschwindigkeit mit der entgegengesetzten Kraft im Inneren wieder herausprallt und eine ungefähre Form bildet Kreisförmiges Einschussloch auf der Oberfläche. Dadurch wird der Zweck erreicht, nur die Oberfläche der kugelsicheren Platte zu zerstören, ohne die gesamte kugelsichere Verbundplatte tödlich zu beschädigen, wodurch eine kugelsichere Wirkung erzielt wird.
1.2 Leistungsparameter neuer kugelsicherer Verbundkeramikplatten
Die Haupteigenschaften keramischer Materialien sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Keramische Materialien weisen in vielen Umgebungen eine hohe spezifische Steifigkeit, hohe spezifische Festigkeit und chemische Inertheit auf. Gleichzeitig sind sie aufgrund ihrer im Vergleich zu Metallen geringen Dichte, hohen Härte und hohen Druckfestigkeit weit verbreiteter. Hochreines Aluminium hat eine höhere Dichte, eine geringere Härte und Bruchzähigkeit, sodass sein elastischer Widerstand geringer ist. Die Struktur der Siliziumkarbidkeramik verleiht ihr eine hohe Festigkeit, hohe Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit und andere Eigenschaften. Titandiborid hat einen hohen Elastizitätsmodul; Borcarbid hat einen hohen Schmelzpunkt, ausgezeichnete Härte und mechanische Eigenschaften und seine Dichte ist die niedrigste unter mehreren häufig verwendeten Keramikmaterialien. Darüber hinaus ist der Elastizitätsmodul hoch, was es zu einer idealen Wahl für militärische Rüstungen macht. und eine gute Materialauswahl im Weltraumbereich.
Die Haupteigenschaften von Verbundwerkstoffen sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Zusätzlich zu einem bestimmten Modul müssen kugelsichere Verbundwerkstoffe auch eine gute Dehnung, Bruchzähigkeit und eine hohe spezifische Festigkeit aufweisen und in der Lage sein, unter Belastungsraten eine gute Leistung aufrechtzuerhalten. E-Glas hat eine hohe Zugfestigkeit, aber eine geringe Zähigkeit, während Kevlar-Material eine geringe Dichte, hohe Festigkeit, gute Zähigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit aufweist und sich leicht verarbeiten und formen lässt. Bor hat die Eigenschaften einer geringen Dichte, einer hohen spezifischen Festigkeit und eines hohen Elastizitätsmoduls.
1.3 Eigenschaften neuer kugelsicherer Verbundplattenmaterialien aus Keramik
Neue kugelsichere Verbundkeramikplatten bieten unvergleichliche Vorteile gegenüber herkömmlichen kugelsicheren Platten. Spezifische Vergleiche finden Sie in Tabelle 3.
(1) Kann mehreren Kugeleinschlägen standhalten.Dieses Material kann dem kontinuierlichen Aufprall mehrerer Kugeln gleichzeitig auf derselben Oberfläche standhalten, ohne dass das Ganze zerbricht. Es entstehen lediglich annähernd kreisrunde Einschusslöcher an der Oberfläche, ohne dass die Durchschusswirkung anderer Teile des Materials beeinträchtigt wird.
(2) Die Struktur lässt sich gut gestalten.Verbundkeramikplatten können bei entsprechenden Winkeln eine Biegeverformung erzeugen und nach der Verformung in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Sie können zu kugelsicheren Verbundwerkstoffen aus Keramik in verschiedenen Formen wie flachen, gekrümmten und geneigten Oberflächen verarbeitet werden.
(3) Kann repariert und wiederverwendet werden.Nach einem Schuss können die kreisförmigen Einschusslöcher auf der Oberfläche mit kugelsicheren Keramikkörpern gefüllt und mit kugelsicherem Kleber wieder verbunden werden, um die Leistung des Originalmaterials wiederherzustellen.
(4) Hohe Zuverlässigkeit im Einsatz.Dieses Material nutzt umfassend die ballistischen Eigenschaften von Hochleistungskeramikplatten, UHWMPE-Platten und TC4-Platten, wodurch die ballistische Widerstandsfähigkeit besser ist als die einzelner Materialien und kann verschiedene Spezifikationen von Pistolen und zugehörigen kleinen und mittleren Durchschlagsbomben wirksam blockieren.
(5) Die Technologie ist hoch ausgereift und gut gestaltbar.Dieses Material verfügt bereits über einen ziemlich ausgereiften Produktionsprozess und kann je nach tatsächlichem Bedarf individuell gestaltet werden, um unterschiedliche kugelsichere Anforderungen zu erfüllen.
1.4 Probleme mit aktuellen kugelsicheren Verbundwerkstoffen
Da kugelsichere Verbundwerkstoffe aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, sind Inhomogenität, Anisotropie, komplexe Stoffzusammenhänge, komplexe Versagensmechanismen und komplexe Festigkeitskriterien von Verbundwerkstoffen die Hauptmechanismen von Verbundwerkstoffen und ihren Strukturen. Eigenschaften und erhöhen dadurch die Komplexität und Schwierigkeit der Analyse, Berechnung, Prüfung und Gestaltung von Verbundwerkstoffen, ihren Strukturen und Schutzmechanismen. Bisher weisen kugelsichere Verbundwerkstoffe noch folgende Probleme auf.
(1) Unzureichende Energieaufnahme.Die nicht absorbierte Energie kugelsicherer Materialien während des Einsatzes führt zu Verlusten an Personal und Eigentum, und die Zerstörungskraft von Waffen wird mit der Verbesserung der Waffen ebenfalls zunehmen. Daher sollten sich künftige Forschung und Anwendung auf die Verbesserung der kugelsicheren Leistung und Sicherheit von Materialien in dieser Hinsicht konzentrieren.
(2) Das Gewicht ist nicht leicht genug.Das Gewicht schusssicherer Verbundwerkstoffe ist ein wichtiger Faktor dafür, ob sie gefördert und eingesetzt werden können. Daher sollte das Gewicht von schusssicheren Verbundwerkstoffen so weit wie möglich reduziert werden und gleichzeitig eine gute schusssichere Widerstandsfähigkeit gewährleistet sein.
(3) Stärkung und Verschärfung der Widersprüche.Insbesondere bei kugelsicheren Keramikverbundwerkstoffen ist dieser Widerspruch oft schwer zu überwinden. Das Hinzufügen bestimmter schlagfester Materialien zu schusssicheren Verbundwerkstoffen kann die Festigkeit des Materials verringern. Wenn jedoch die Festigkeit des Materials erhöht wird, kann sich die Zähigkeit des Materials verringern. Daher sind viele Tests erforderlich, um die am besten geeignete Festigkeit und Zähigkeit des ballistiksicheren Materials zu ermitteln. .
(4) In Bezug auf die Kompatibilität von Verbundwerkstoffen, einschließlich physikalischer, chemischer, mechanischer und anderer Materialeigenschaften, können Verbundwerkstoffe verschiedene Eigenschaften integrieren, um einen besseren Schutz zu bieten.
Darüber hinaus gibt es auch Probleme wie Schnittstelle und Preis, die noch nicht vollständig gelöst sind.
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Kugelsicheres Aramid-Verbundmaterial
2.1 Kugelsicherer Mechanismus
Wenn das kugelsichere Fasermaterial Aufprallenergie ausgesetzt wird, dehnt es sich und verformt sich. Die von der Faser absorbierte Energie wird zur Arbeit, die für ihre Verformung erforderlich ist. Die Arbeit, die für ihre Zugverformung und ihren Bruch erforderlich ist, ist die Bruchenergie, auch als Brucharbeit bekannt. Die Bruchenergie der Faser hängt von der Anzahl der Fasern ab, die an der Zugverformung beteiligt sind. Der Parameter, der die antiballistischen Eigenschaften von Fasern misst, ist die Energieabsorptionsrate der Faser (Bruchenergie pro Fasermasseneinheit).
Wenn kugelsichere Fasermaterialien einem äußeren Aufprall ausgesetzt sind, breitet sich die durch den Aufprall erzeugte Längsspannung schnell in alle Richtungen im Fasermaterial aus und bildet eine „Stoßwelle“ (dh eine Schallwelle). Die Schallgeschwindigkeit in kugelsicheren Fasermaterialien beeinflusst die momentane Energiediffusion, die die Menge der an der Energieabsorption beteiligten Fasern bestimmt und dadurch die kugelsichere Wirkung des Materials beeinflusst. Daher ist die Schallgeschwindigkeit in der Faser ein weiterer wichtiger Parameter, der die ballistische Leistung der Faser beeinflusst.
Zu den Faserformen in kugelsicheren Materialien gehören gerade und gebogene Formen. Wenn die Faserform des Materials gerade ist, breitet sich die Energie entlang der axialen Richtung der Faser ohne Reflexion aus und breitet sich daher weit und schnell aus; Wenn die Faserform gekrümmt ist oder die Faser Brüche aufweist, reflektieren die Biegestellen oder Brüche in der Faser einen Teil der Energie, wodurch die momentane Diffusionsreichweite verringert wird und auch die kugelsichere Wirkung des Materials verringert wird . Es ist ersichtlich, dass die kugelsichere Wirkung von zweidimensionalem Fasergewebe besser ist als die von Leinwandbindungsgewebe.
Die Energieübertragung geht häufig mit Kontakt zwischen Fasern innerhalb derselben Schicht oder zwischen Schichten einher. Während der Übertragung von Aufprallenergie kommt es innerhalb der Schnittstellen aller Materialien zu Energiereflexionen, und die Situationen sind vielfältig und komplex. Daher ist der effektivste Ausbreitungsweg der Aufprallenergie die Diffusion entlang der Faserachse.
2.2 Hauptfaktoren, die die Leistung von kugelsicheren Aramid-Verbundwerkstoffen beeinflussen
Die Leistung kugelsicherer Verbundwerkstoffe wird hauptsächlich durch den Modul und den Gehalt des Matrixmaterials, die Eigenschaften des Fasermaterials, die Webmethode und den Prozess der Faser beeinflusst.
2.2.1 Einfluss des Matrixharzmoduls auf die ballistischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen
Da Matrixharz mit niedrigem Modul gute Dämpfungseigenschaften besitzt und die Energieabsorption fördert, weisen Laminate aus Matrixharz mit niedrigem Modul eine bessere kugelsichere Wirkung auf als solche aus Matrixharz mit hohem Modul.
2.2.2 Einfluss des Matrixharzgehalts auf die ballistischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen
Der Matrixharzgehalt hat einen sehr großen Einfluss auf die ballistischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen. Eine Erhöhung des Faservolumengehalts in Verbundwerkstoffen verbessert die ballistischen Eigenschaften, ist der Faservolumengehalt jedoch zu hoch, verschlechtern sich die ballistischen Eigenschaften. Da das Matrixharz im Verbundwerkstoff Spannungen in der Struktureinheit übertragen kann, ist der Matrixgehalt im Verbundwerkstoff zu gering, wenn der Faservolumengehalt jedoch zu hoch ist, was zu einer Verringerung der Bindungsleistung zwischen dem Harz und der Faser und zwischen der Faser und der Faser führt, wodurch die Integrität des Laminats beeinträchtigt wird und auch die elastischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs abnehmen. Der Faservolumengehalt bezieht sich auf den Prozentsatz des Faservolumens im Gewebe im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Gewebes, der in Flächendichte umgerechnet werden kann. Die Flächendichte ist ein wichtiger Faktor bei der Messung der tatsächlichen Anwendbarkeit von kugelsicheren Platten. Wenn die Schutzanforderungen erfüllt werden können, sollte die Flächendichte bei Design und Anwendung so gering wie möglich sein, damit Kosten und Gewicht erheblich reduziert werden können.
2.2.3 Einfluss der Laminatflächendichte auf die ballistische Leistung des Laminats
Fasern neigen dazu, zu verrutschen, wenn Projektile das Laminat durchdringen, und einige Fasern sind nicht in der Lage, das Eindringen von Projektilen zu verringern. Wenn die Flächendichte zunimmt, nimmt die absorbierte Energie des Laminats zu, was darauf hindeutet, dass sein ballistischer Widerstand mit zunehmender Flächendichte zunimmt. Die ballistische Leistung des schussfreien Laminats ist besser als die des Leinwandbindungslaminats.
2.2.4 Einfluss der Fasergewebestruktur auf ballistische Eigenschaften von Laminaten
Im Vergleich zu Satin- und Leinwandbindungsstoffen weisen zweidimensionale zweidimensionale Stoffe den geringsten Verarbeitungsgrad und den geringsten Verlust an Faserfestigkeit auf. Die Fasern des Gewebes werden parallel in geraden Linien angeordnet, wobei der größte Festigkeitswert erhalten bleibt. Da es keine direkten Überlappungspunkte zwischen den Fasern gibt, ist die Schrumpfungsrate praktisch Null, was die Reflexion von Dehnungswellen effektiv reduziert und Spannungskonzentrationen an lokalen Punkten beim Aufprall von Projektilen vermeidet. Daher ist die Bruchabsorptionsenergie des zweidimensionalen zweidimensionalen Stoffes hoch. Da die Stoffstruktur des zweidimensionalen zweidimensionalen Stoffes locker ist, begünstigt sie die Energieabsorption und bietet so die beste kugelsichere Leistung.
2.2.5 Einfluss der Anzahl der Gewebelagen auf die ballistischen Eigenschaften von Laminaten
Stoffe mit geringer Oberflächendichte haben bessere ballistische Eigenschaften. Die ballistische Widerstandsfähigkeit von Verbundwerkstoffen wird durch die für die Fasern im Material verwendeten geflochtenen Fäden, die Gewebebindung, die Anzahl der Schichten in jeder Schicht und die Anordnung der Fasern bestimmt. Bei einem gegebenen Gewicht gilt: Je dünner und fester das Geflecht und je mehr Lagen das Material hat, desto besser sind die ballistischen Eigenschaften des Materials. Wenn die Oberflächendichte des ballistischen Materials konstant ist, sollten Stoffe mit mehr Schichten und geringerer Einzelflächendichte in Betracht gezogen werden. Gleichzeitig wird durch die Verbesserung der Leistung der Faser selbst auch die ballistische Widerstandsfähigkeit des Materials verbessert.
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Anwendungen und Entwicklungstrends
Fortschrittliche ballistisch resistente Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine hohe spezifische Festigkeit, einen hohen spezifischen Modul, ein hohes Design und eine hohe Vielseitigkeit aus und sind in vielen militärischen Anwendungen unverzichtbar. Sie sind grundlegende Designfaktoren und Schlüsseltechnologien für den Personenschutz sowie fortschrittliche Waffen und Rüstungsgüter. Daher ist es für eine Organisation von großer strategischer Bedeutung, wenn sie in dieses Forschungs- und Anwendungsfeld einsteigen und ein qualifizierter Lieferant eines bestimmten Produkttyps werden kann, sowohl im Hinblick auf den sozialen als auch auf den wirtschaftlichen Nutzen.
Verbundwerkstoffe weisen eine gute Leistung auf, da sie die jeweiligen Vorteile von Verstärkungsmaterialien und Matrizen vereinen. Sie sind auch die am schnellsten wachsenden und vielversprechendsten kugelsicheren Materialien. Kugelsichere Materialien entwickeln sich allmählich zu einer Diversifizierung und Zusammensetzung, und es sind verschiedene neue kugelsichere Materialien mit hoher Härte und hoher Zähigkeit entstanden, um komplexere Schutzprobleme zu lösen. Mit der Entwicklung leichter und effizienter Panzerungssysteme sind die Vorteile von kugelsicherer Keramik und faserverstärkten kugelsicheren Verbundwerkstoffen immer deutlicher geworden. Neue kugelsichere Verbundkeramikplatten haben unvergleichliche Vorteile mit herkömmlichen kugelsicheren Platten, aber die bestehenden Probleme können nicht ignoriert werden, daher konzentrieren wir uns darauf, die bestehenden Probleme kugelsicherer Verbundwerkstoffe zu lösen, und die kontinuierliche Optimierung der Materialeigenschaften ist der aktuelle Forschungsschwerpunkt.
