Застосування вуглецевого волокна в балістичних композиційних матеріалах

Балістичні композитні матеріали мають багато форм і пропонують різні рівні ефективності. Серед них армовані волокном -композити виділяються своєю легкою вагою та міцною стійкістю до проникнення. Сьогодні вони є найбільш дослідженими балістичними матеріалами, а також сегментом ринку, який найшвидше{3}}зростає.

Високоякісні-волокна, які зазвичай використовуються в армованих волокнами-балістичних композитах, включають кевларове волокно, вуглецеве волокно, над--поліетиленове-високомолекулярне (UHMWPE) волокно та скловолокно. Одне питання, яке часто обговорюється в промисловості, полягає в тому, чи можна використовувати саме вуглецеве волокно для балістичного захисту.

Принципи роботи балістичних композитів

Коли снаряд проникає в композитний матеріал, одночасно виникає кілька механізмів пошкодження. До них відносяться розшарування ламінату, від’єднання волокна від смоли, руйнування волокна при розтягуванні та деформація тильної поверхні. Під час цих процесів кінетична енергія снаряда поступово зменшується, що призводить до балістичного захисту.

Після удару в точці контакту виникають хвилі напруги. Ці хвилі поширюються двома основними шляхами. Спочатку вони рухаються вздовж осі волокна. Волокна скріплені смолою в точках перетину. Коли хвилі напруги досягають цих точок, вони переходять на інші волокна. Це збільшує площу розподілу напруги та сприяє розсіюванню енергії. По-друге, коли хвилі напруги досягають межі розділу волокно–смола, відбувається відбиття й утворюється розшарування. Цей процес поглинає додаткову енергію.

У армованих волокнами балістичних композитах ударна поверхня в основному зазнає руйнування при зсуві, тоді як задня поверхня переважно руйнується при розтягуванні. З цієї причини композити, армовані одним типом волокна, часто не можуть досягти оптимальних балістичних характеристик. Поєднуючи різні волокна та розробляючи шарувату структуру, можна досягти кращого балістичного захисту.

Огляд вуглецевого волокна

Вуглецеве волокно відноситься до волокон, в яких на вуглець припадає більше 90% загальної маси. Він виробляється з органічних волокон за допомогою реакцій у твердій-фазі та утворює волокнистий полімерний вуглецевий матеріал. Вуглецеве волокно відоме своєю малою вагою, високою міцністю, високим модулем, термостійкістю, ударостійкістю, хімічною стабільністю та низьким тепловим розширенням.

Однак вуглецеве волокно має низьке подовження при розриві та обмежену міцність. З цієї причини він рідко використовується окремо і в основному використовується як армуючий матеріал у композитах.

Балістичні жилети та інша захисна броня покладаються на багатошарові матеріали, які можуть поглинати та розподіляти енергію удару. Ці матеріали зазвичай мають високу міцність на розрив і можуть деформуватися під впливом напруги, що сприяє розсіюванню енергії кулі.

Хоча вуглецеве волокно має дуже високу міцність, воно має погану пластичність і обмежену здатність поглинати та розсіювати кінетичну енергію. Він також крихкий і схильний до руйнування під ударом або повторним навантаженням. Як результат, композити з вуглецевого волокна, виготовлені лише зі смоли та вуглецевого волокна, не є ефективними для балістичного захисту. На практиці вуглецеве волокно зазвичай поєднується з іншими високо-ефективними волокнами для досягнення балістичних характеристик.

Якщо вуглецеве волокно не підходить як основний пул{0}}зупинний матеріал, чому воно все ще використовується в деяких балістичних композитах?

Вуглецеве волокно цінується за високу питому міцність і довговічність. При використанні як армуючого компонента в балістичних матеріалах, особливо в поєднанні з кевларом або іншими балістичними волокнами, він підвищує стійкість до проколів і осколків. У той же час він зменшує загальну вагу, що підвищує комфорт носіння та мобільність.

Вуглецеве волокно в основному сприяє таким чином:

Конструкційне посилення:
Вуглецеве волокно додає структурної цілісності композитним балістичним матеріалам. При нанесенні кевлару або інших балістичних волокон він допомагає зберегти цілісність матеріалу після удару та підтримує розподіл енергії удару, зменшуючи ризик проникнення.

Зниження ваги:
Для зупинки снарядів балістичні композити зазвичай покладаються на багатошарові -структури. Низька щільність вуглецевого волокна допомагає зменшити загальну вагу, підвищуючи комфорт і гнучкість для користувача.

Вуглецеве волокно забезпечує високу міцність і малу вагу, але через свою крихкість і обмежену здатність поглинати енергію воно само по собі не є балістичним. Його жорсткість і схильність до руйнування під час удару знижують його ефективність у зупинці куль. Однак, якщо використовується як частина композитної системи, вуглецеве волокно може підтримувати балістичні характеристики. Поєднуючи його структурну міцність з іншими волокнами, які поглинають і розсіюють енергію, можна досягти ефективного балістичного захисту.

Деякий вміст, отриманий в Інтернеті; зв’яжіться з нами для запитів на видалення, якщо це можливо.