Với việc ứng dụng công nghệ tiên tiến vào tác chiến quân sự, tình hình tổn thất về nhân sự, tài sản ngày càng phức tạp. Vì vậy, việc nghiên cứu chuyên sâu và ứng dụng vật liệu chống đạn cũng cần được tiến hành. Áo giáp gốm và vật liệu composite gia cố bằng sợi là những hướng nghiên cứu và ứng dụng quan trọng. Tổng quan về tấm gốm chống đạn composite mới và vật liệu composite chống đạn aramid được đưa ra, so sánh giữa tấm gốm chống đạn composite mới và tấm chống đạn truyền thống được thực hiện, các đặc điểm của nó và một số vấn đề vẫn còn tồn tại trong nghiên cứu và ứng dụng hiện nay là được phân tích; cơ chế chống đạn của vật liệu composite chống đạn aramid được thực hiện. Mô tả chi tiết và chỉ ra các yếu tố chính ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu composite đạn đạo aramid.
01
Tấm chống đạn gốm composite mới
Nghiên cứu về áo giáp gốm là một phần quan trọng trong quá trình phát triển và ứng dụng vật liệu composite chống đạn. Hiệu quả bảo vệ đạn đạo của áo giáp gốm vượt trội hơn so với áo giáp thép thông thường. Hiện nay, áo giáp thụ động và áo giáp phản ứng nổ được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhất. Về cơ chế chống đạn, vật liệu giáp trong áo giáp phản ứng sẽ tạo ra động năng sau khi bị viên đạn kích thích, động năng sẽ phản ứng lên viên đạn, còn áo giáp thụ động chống lại tác động của viên đạn thông qua đặc tính riêng của nó. Ngày nay, Hoa Kỳ, Nga và các nước khác đã sử dụng gốm sứ và vật liệu composite để phát triển hệ thống áo giáp có hiệu suất trọng lượng tốt hơn và phát triển áo giáp tấm gốm được sử dụng rộng rãi.
1.1 Cơ chế chống đạn
Khi một viên đạn chạm vào tấm chống đạn bằng gốm composite ở tốc độ cao, nguyên lý tác dụng và phản lực được sử dụng làm cho viên đạn đi vào tấm chống đạn với tốc độ cao rồi bật ra với tốc độ cao với lực ngược chiều bên trong, tạo thành một khoảng lỗ đạn tròn trên bề mặt. Nó đạt được mục đích chỉ phá hủy bề mặt của tấm chống đạn mà không gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho tấm chống đạn tổng thể, từ đó đạt được khả năng chống đạn.
1.2 Thông số hoạt động của tấm chống đạn gốm composite mới
Các đặc tính chính của vật liệu gốm được thể hiện trong Bảng 1.
Vật liệu gốm có độ cứng riêng cao, cường độ riêng cao và độ trơ hóa học trong nhiều môi trường. Đồng thời, mật độ thấp, độ cứng cao và cường độ nén cao so với kim loại khiến chúng được sử dụng rộng rãi hơn. Nhôm có độ tinh khiết cao có mật độ cao hơn, độ cứng và độ bền gãy thấp hơn nên khả năng chống đàn hồi của nó thấp hơn; cấu trúc của gốm cacbua silic làm cho nó có độ bền cao, độ cứng cao, chống mài mòn, chống ăn mòn, dẫn nhiệt cao và các đặc tính khác; Titanium diboride có mô đun đàn hồi cao; cacbua boron có điểm nóng chảy cao, độ cứng và tính chất cơ học tuyệt vời, mật độ của nó thấp nhất trong số một số vật liệu gốm thường được sử dụng. Ngoài ra, mô đun đàn hồi cao khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho áo giáp quân sự. và sự lựa chọn tốt về vật liệu trong lĩnh vực không gian.
Các đặc tính chính của vật liệu composite được thể hiện trong Bảng 2.
Ngoài việc có một mô đun nhất định, vật liệu composite chống đạn còn phải có độ giãn dài tốt, độ bền đứt gãy, cường độ riêng cao và có khả năng duy trì hiệu suất tốt dưới tốc độ biến dạng. Kính điện tử có độ bền kéo cao nhưng độ dẻo dai kém, trong khi vật liệu Kevlar có mật độ thấp, độ bền cao, độ bền tốt, chịu nhiệt độ cao, dễ gia công và tạo hình. Boron có đặc tính mật độ thấp, cường độ riêng cao và mô đun đàn hồi cao.
1.3 Đặc điểm của vật liệu tấm chống đạn gốm composite mới
Tấm chống đạn bằng gốm composite mới có những ưu điểm vượt trội so với tấm chống đạn truyền thống. Xem Bảng 3 để biết những so sánh cụ thể.
(1) Có thể chịu được nhiều đòn tấn công của đạn.Chất liệu này có thể chịu được tác động liên tục của nhiều viên đạn lên cùng một bề mặt cùng lúc mà không bị vỡ toàn bộ. Nó sẽ chỉ hình thành các lỗ đạn xấp xỉ hình tròn trên bề mặt mà không ảnh hưởng đến tác dụng chống đạn của các phần khác của vật liệu.
(2) Nó có khả năng thiết kế cấu trúc tốt.Tấm gốm composite có thể tạo ra biến dạng uốn ở các góc tương ứng và có thể trở lại hình dạng ban đầu sau khi biến dạng. Chúng có thể được thiết kế thành vật liệu chống đạn gốm composite với nhiều hình dạng khác nhau như bề mặt phẳng, cong và nghiêng.
(3) Có thể sửa chữa và tái sử dụng.Sau khi bị trúng đạn, các lỗ đạn hình tròn trên bề mặt có thể được lấp đầy bằng thân chống đạn bằng gốm và kết hợp lại bằng keo chống đạn để lấy lại tính năng của vật liệu ban đầu.
(4) Độ tin cậy cao khi sử dụng.Vật liệu này sử dụng toàn diện các đặc tính đạn đạo của tấm gốm hiệu suất cao, tấm UHWMPE và tấm TC4, giúp khả năng chống đạn đạo tốt hơn so với các vật liệu đơn lẻ và có thể chặn hiệu quả các thông số kỹ thuật khác nhau của súng lục và bom xuyên cỡ nòng nhỏ và cỡ trung liên quan.
(5) Công nghệ có độ chín cao và khả năng thiết kế mạnh mẽ.Vật liệu này đã có quy trình sản xuất khá hoàn thiện và có thể được thiết kế theo nhu cầu cá nhân theo nhu cầu thực tế để đáp ứng các nhu cầu chống đạn khác nhau.
1.4 Vấn đề tồn tại của vật liệu composite chống đạn hiện nay
Do vật liệu composite chống đạn bao gồm nhiều loại vật liệu khác nhau nên tính không đồng nhất, tính dị hướng, mối quan hệ cấu thành phức tạp, cơ chế hư hỏng phức tạp và tiêu chí độ bền phức tạp của vật liệu composite là cơ chế chính của vật liệu composite và cấu trúc của chúng. do đó làm tăng độ phức tạp và khó khăn trong việc phân tích, tính toán, thử nghiệm và thiết kế vật liệu composite, cấu trúc và cơ chế bảo vệ của chúng. Cho đến nay, vật liệu composite chống đạn vẫn còn tồn tại những vấn đề sau.
(1) Hấp thụ năng lượng không đủ.Năng lượng không được hấp thụ của vật liệu chống đạn trong quá trình sử dụng sẽ gây tổn thất về người và tài sản, sức công phá của vũ khí cũng sẽ tăng lên khi vũ khí được nâng cấp. Do đó, nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai nên tập trung vào việc cải thiện hiệu suất chống đạn và độ an toàn của vật liệu ở khía cạnh này. .
(2) Trọng lượng không đủ nhẹ.Trọng lượng của vật liệu composite chống đạn là yếu tố quan trọng quyết định liệu chúng có thể được phát huy và sử dụng hay không. Vì vậy, trọng lượng của vật liệu composite chống đạn cần được giảm càng nhiều càng tốt mà vẫn đảm bảo khả năng chống đạn tốt.
(3) Củng cố và khắc phục mâu thuẫn.Đặc biệt đối với vật liệu composite gốm chống đạn, mâu thuẫn này thường khó khắc phục. Việc thêm một số vật liệu cứng nhất định vào vật liệu composite chống đạn đạo có thể làm giảm độ bền của vật liệu. Tuy nhiên, nếu độ bền của vật liệu tăng lên thì độ dẻo dai của vật liệu có thể giảm đi. Vì vậy, cần phải có nhiều thử nghiệm để tìm ra độ bền và độ dẻo dai phù hợp nhất của vật liệu chống đạn. .
(4) Về khả năng tương thích của vật liệu composite, bao gồm các đặc tính vật lý, hóa học, cơ học và các đặc tính vật liệu khác, vật liệu composite có thể tích hợp nhiều đặc tính khác nhau để mang lại khả năng bảo vệ tốt hơn.
Ngoài ra, còn những vấn đề như giao diện, giá cả vẫn chưa được giải quyết triệt để.
02
Vật liệu composite chống đạn Aramid
2.1 Cơ chế chống đạn
Khi vật liệu chống đạn dạng sợi chịu tác động của năng lượng sẽ bị giãn và biến dạng. Năng lượng mà sợi hấp thụ sẽ trở thành công cần thiết cho sự biến dạng của nó. Công cần thiết cho biến dạng kéo và đứt gãy của nó là năng lượng đứt gãy, còn được gọi là công bẻ gãy. , năng lượng đứt gãy của sợi có liên quan đến số lượng sợi tham gia đứt gãy biến dạng kéo. Thông số đo đặc tính chống đạn đạo của sợi là tốc độ hấp thụ năng lượng của sợi (năng lượng phá vỡ trên một đơn vị khối lượng của sợi).
Khi vật liệu sợi chống đạn bị tác động bởi tác động từ bên ngoài, ứng suất dọc do va chạm tạo ra sẽ nhanh chóng lan truyền theo mọi hướng trong vật liệu sợi, tạo thành "sóng xung kích" (tức là sóng âm). Tốc độ truyền âm trong vật liệu chống đạn dạng sợi sẽ ảnh hưởng đến sự khuếch tán năng lượng tức thời, quyết định lượng sợi tham gia hấp thụ năng lượng, từ đó ảnh hưởng đến tác dụng chống đạn của vật liệu. Do đó, tốc độ âm thanh trong sợi là một thông số quan trọng khác ảnh hưởng đến hiệu suất đạn đạo của sợi.
Hình dạng của sợi trong vật liệu chống đạn bao gồm thẳng và cong. Nếu hình dạng sợi của vật liệu thẳng, năng lượng sẽ truyền dọc theo hướng trục của sợi mà không bị phản xạ, và do đó năng lượng sẽ lan truyền xa và nhanh; nếu hình dạng sợi bị cong hoặc sợi Nếu có vết đứt trên sợi, các điểm uốn hoặc vết đứt trên sợi sẽ phản xạ một phần năng lượng, làm giảm phạm vi khuếch tán tức thời và hiệu quả chống đạn của vật liệu cũng sẽ giảm . Có thể thấy, tác dụng chống đạn của vải hai chiều sợi hai chiều sẽ tốt hơn so với vải dệt trơn.
Sự truyền năng lượng thường đi kèm với sự tiếp xúc giữa các sợi trong cùng một lớp hoặc giữa các lớp. Trong quá trình truyền năng lượng va chạm, sự phản xạ năng lượng xảy ra trong các bề mặt tiếp xúc của tất cả các vật liệu và các tình huống rất đa dạng và phức tạp. Do đó, đường truyền năng lượng va chạm hiệu quả nhất là khuếch tán dọc theo trục sợi.
2.2 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu composite chống đạn aramid
Hiệu suất của vật liệu composite chống đạn chủ yếu bị ảnh hưởng bởi mô đun và hàm lượng của vật liệu nền, tính chất của vật liệu sợi, phương pháp dệt và quy trình của sợi.
2.2.1 Ảnh hưởng của mô đun nhựa ma trận đến tính chất đạn đạo của vật liệu composite
Bởi vì nhựa ma trận mô đun thấp có đặc tính giảm xóc tốt và có lợi cho việc hấp thụ năng lượng, nên các lớp nhựa làm từ nhựa ma trận mô đun thấp có tác dụng chống đạn tốt hơn nhựa ma trận mô đun cao.
2.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa nền đến tính chất đạn đạo của vật liệu composite
Hàm lượng nhựa ma trận có tác động rất quan trọng đến tính chất đạn đạo của vật liệu composite. Việc tăng hàm lượng thể tích sợi trong vật liệu composite sẽ cải thiện tính chất đạn đạo, nhưng nếu hàm lượng thể tích sợi quá cao thì tính chất đạn đạo sẽ giảm. Bởi vì nhựa ma trận trong vật liệu composite có thể truyền ứng suất trong đơn vị kết cấu, nhưng nếu hàm lượng thể tích sợi quá cao thì hàm lượng ma trận trong vật liệu composite sẽ quá nhỏ, dẫn đến giảm hiệu suất liên kết giữa nhựa và sợi và giữa sợi với sợi, do đó ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tấm laminate, tính chất đàn hồi của vật liệu composite cũng sẽ giảm. Hàm lượng thể tích sợi là tỷ lệ phần trăm thể tích sợi trong vải so với toàn bộ thể tích của vải, có thể quy đổi thành mật độ diện tích. Mật độ diện tích là yếu tố quan trọng trong việc đo lường khả năng ứng dụng thực tế của tấm chống đạn. Nếu nó có thể đáp ứng các yêu cầu bảo vệ, mật độ diện tích phải càng nhỏ càng tốt trong quá trình thiết kế và ứng dụng, để có thể giảm đáng kể chi phí và trọng lượng.
2.2.3 Ảnh hưởng của mật độ diện tích lớp đến hiệu suất đạn đạo của lớp
Sẽ có xu hướng các sợi bị trượt khi đạn xuyên qua lớp gỗ và một số sợi sẽ không thể làm giảm khả năng xuyên qua của đạn. Nếu mật độ diện tích tăng, năng lượng hấp thụ của tấm sẽ tăng lên, cho thấy khả năng chống đạn đạo của nó tăng khi mật độ diện tích tăng. Hiệu suất đạn đạo của tấm gỗ không có sợi ngang tốt hơn so với tấm gỗ dệt trơn.
2.2.4 Ảnh hưởng của cấu trúc sợi vải đến tính chất chống đạn của tấm cán mỏng
So với vải satin và vải dệt trơn, vải hai chiều hai chiều có mức độ xử lý thấp nhất và độ bền sợi bị mất nhỏ nhất. Các sợi vải sẽ được sắp xếp song song theo đường thẳng, có giá trị duy trì độ bền lớn nhất. Do không có điểm chồng chéo trực tiếp giữa các sợi nên tốc độ co ngót về cơ bản bằng 0, giúp giảm hiệu quả sự phản xạ của sóng biến dạng và tránh tập trung ứng suất tại các điểm cục bộ khi đạn va chạm. Do đó, năng lượng hấp thụ đứt của vải hai chiều hai chiều cao. Do cấu trúc vải của vải hai chiều hai chiều lỏng lẻo nên có lợi cho việc hấp thụ năng lượng, mang lại hiệu quả chống đạn tốt nhất.
2.2.5 Ảnh hưởng của số lớp vải đến tính chất chịu đạn của tấm laminate
Vải có mật độ bề mặt thấp có đặc tính đạn đạo tốt hơn. Khả năng chống đạn đạo của vật liệu composite được xác định bởi các sợi bện được sử dụng cho các sợi trong vật liệu, kiểu dệt vải, số lớp trong mỗi lớp và sự sắp xếp của các sợi. Dưới một trọng lượng nhất định, bím tóc càng mỏng và chặt hơn và vật liệu càng có nhiều lớp thì đặc tính đạn đạo của vật liệu sẽ càng tốt. Khi mật độ bề mặt của vật liệu đạn đạo không đổi, cần xem xét các loại vải có nhiều lớp hơn và mật độ bề mặt đơn nhỏ hơn. Đồng thời, việc cải thiện hiệu suất của sợi cũng sẽ cải thiện khả năng chống đạn đạo của vật liệu.
03
Ứng dụng và xu hướng phát triển
Vật liệu composite chống đạn đạo tiên tiến có cường độ riêng cao, mô đun riêng, thiết kế và tính linh hoạt và không thể thiếu trong nhiều ứng dụng quân sự. Chúng là những yếu tố cơ bản trong thiết kế và công nghệ then chốt để bảo vệ cá nhân cũng như vũ khí và vũ khí tiên tiến. Do đó, đối với một tổ chức, nếu tổ chức có thể tham gia vào lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng này và trở thành nhà cung cấp đủ tiêu chuẩn của một loại sản phẩm nhất định thì tổ chức đó sẽ có ý nghĩa chiến lược to lớn về cả lợi ích kinh tế và xã hội.
Vật liệu composite có tính năng tốt vì chúng kết hợp được các ưu điểm tương ứng của vật liệu gia cố và ma trận. Chúng cũng là vật liệu chống đạn phát triển nhanh nhất và hứa hẹn nhất. Vật liệu chống đạn đang dần phát triển theo hướng đa dạng hóa và kết hợp, nhiều loại vật liệu chống đạn mới có độ cứng và độ dẻo dai cao đã xuất hiện để giải quyết các vấn đề bảo vệ phức tạp hơn. Với sự phát triển của hệ thống áo giáp nhẹ và hiệu quả, ưu điểm của gốm chống đạn và vật liệu composite chống đạn được gia cố bằng sợi ngày càng trở nên nổi bật. Tấm chống đạn gốm composite mới có những ưu điểm không thể so sánh được với tấm chống đạn truyền thống, nhưng không thể bỏ qua những vấn đề hiện có, vì vậy chúng tôi tập trung vào Để giải quyết những vấn đề tồn tại trong vật liệu composite chống đạn, việc tối ưu hóa liên tục các đặc tính vật liệu là trọng tâm nghiên cứu hiện nay.
