Арамидное волокно обладает высокой удельной прочностью и высоким удлинением при разрыве и может полностью заменить композитные материалы на основе стекловолокна и смолы во многих областях.
В настоящее время страны по всему миру постоянно разрабатывают и оптимизируют различные новые баллистические материалы для повышения эффективности баллистической защиты транспортных средств и отдельных солдат. Высокоэффективные волокнистые композитные материалы обладают такими характеристиками, как малый вес, высокая прочность и отличная баллистическая стойкость. Они являются наиболее исследованными, быстрорастущими и наиболее перспективными баллистическими материалами. Военно-развитые страны, представленные Соединенными Штатами, уделяют особое внимание разработке высокоэффективных противопульных волокон и их композитных материалов. Национальные оборонные научно-исследовательские институты, такие как Исследовательская лаборатория армии США и университеты, финансируемые Министерством обороны, провели много исследовательских работ в последние годы. В этой статье в основном представлены исследования и разработки, состояние применения и уровень производительности арамидного волокна, углеродного волокна и волокна PBO за рубежом.
1. Арамидное волокно
Арамидные волокна обладают характеристиками высокой удельной прочности и высокого удлинения при разрыве. При той же поверхностной плотности баллистическая стойкость композитов арамид/смолы в 2-3 раза выше, чем у композитов стекловолокно/смола. Может использоваться во многих областях. Комплексная замена композитов стекловолокно/смола.
Такие учреждения, как Объединенная армейская исследовательская лаборатория Университета Клемсона в США, используют традиционный метод конечных элементов для проведения численного анализа противобаллистического волоконного мата с целью определения сопротивления проникновению материала и общего прогиба, деформации и реакции на повреждение при ударе. Исследователи команды дополнительно оптимизировали и усовершенствовали расчет и модель анализа баллистической защиты от удара/взрыва для армированных волокном полимерных матричных композитов с плоским плетением. В 2014 году была изучена взаимосвязь между микроструктурой и характеристиками материалов на основе PPTA (поли-п-фенилентерефталамида), и был разработан метод расчета в масштабе нескольких длин для определения влияния различных микроструктурных особенностей в разных масштабах на войлок на основе PPTA. Влияние ткани или армированных волокном PPTA полимерных матричных композитов на макроскопическую баллистическую стойкость к проникновению.
Кассино в Италии и Университет Южного Лацио объединили войлок полотняного переплетения с термореактивной смолой для изготовления ламинатов и провели численное моделирование прогнозирования Уокера и испытания баллистических характеристик на подготовленной композитной броне. Исследовательская лаборатория армии США и др. использовали плоскую полосчатую прозрачную нейлоновую мононить в качестве армирования и подготовили композитный материал со светопропусканием около 40% с прозрачной эпоксидной смолой, соответствующей ее показателю преломления, в качестве матрицы. Баллистическое испытание материала показывает, что значение V50 полученного материала превышает 305 м/с, что намного выше, чем у эпоксидной смолы и поликарбоната.
Национальная лаборатория Сандия в США изучала влияние скручивания на поперечные ударные свойства эластичных волоконных нитей и измерила скорость сдвиговой волны Эйлера, вызванную ударом, с помощью высокоскоростной камеры. Результаты показывают, что скорость сдвиговой волны Эйлера увеличивается с числом скручиваний в волоконной нити, что подразумевает более высокие баллистические характеристики. Таким образом, использование скрученных волоконных нитей в баллистических волоконных матах может улучшить баллистические свойства материала. Было изучено влияние магнитного поля на баллистические свойства арамидного волокна и сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна. Исследователи поместили арамидные волокна и сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна между двумя наборами противоположных редкоземельных магнитов, чтобы проверить влияние отталкивания магнитного поля на баллистические свойства материалов. Результаты показывают, что магнитное отталкивание может препятствовать попаданию пуль в переднюю панель арамидных волокон.
Наномодификация арамидных волокон или нанонаполнение их композитов также улучшит баллистические свойства. Исследователи повысили прочность интерфейса, вырастив вертикальные нанопроволоки ZnO на поверхности волокна. Прочность интерфейса волокна на 96,9% выше, чем у голого волокна, а пиковая нагрузка испытания на выдергивание увеличивается в 6,5 раз. Нанопроволоки ZnO улучшают характеристики выдергивания волокон, что, в свою очередь, также повышает уровень защиты материала от баллистического удара.
Исследователи изучили влияние наночастиц-наполнителей на ударопрочные композиты и провели баллистические испытания V50 на волокнистых композитах, наполненных измельченными углеродными волокнами и наночастицами (углеродными нанотрубками и резиновыми частицами типа «ядро-оболочка»). Результаты показывают, что наполнитель из наночастиц резины типа «ядро-оболочка» эффективен для поглощения энергии во время удара за счет эффекта кавитации, а также значительно улучшает баллистические характеристики. Наполнители из углеродных нанотрубок могут улучшить характеристики интерфейса матрица-волокно, а также значительно улучшить баллистические характеристики. Оба могут улучшить антибаллистические характеристики V50 композитного материала. Добавление 1% массовой доли измельченных углеродных волокон и добавление 1% наночастиц в композитный материал может увеличить V50 на 7,3% (углеродные нанотрубки) и 8% (резиновые частицы типа «ядро-оболочка») относительно контрольного образца соответственно.
2. Углеродное волокно
Модуль Юнга углеродного волокна обычно более чем в три раза превышает модуль традиционного стекловолокна, и он имеет важный потенциал применения для облегчения военной техники и повышения живучести. В 2015 году Технологический институт Джорджии в США разработал новый процесс приготовления гель-пряденых непрерывных углеродных волокон на основе технологии прядения полиакрилонитрила (ПАН). Средняя прочность на разрыв готовых углеродных волокон на основе ПАН составляет от 5,5 до 5,8 ГПа. , модуль упругости при растяжении составляет от 354 до 375 ГПа, а модуль упругости при растяжении на 25–36 % выше, чем у углеродного волокна на основе ПАН типа IM7, широко используемого в аэрокосмической промышленности. Сочетание наивысшей стоимости. В будущем за счет оптимизации материалов и процессов прочность и модуль углеродных волокон на основе ПАН будут одновременно улучшены.
3. ПБО-волокно
Волокно PBO изначально было разработано ВВС США, а позже продукция производилась японскими компаниями. Волокно PBO известно как будущее сверхвысокопроизводительное волокно, которое может заменить арамидное волокно. Это волокно имеет меньшую плотность, чем арамидное волокно, но его механические свойства и устойчивость к воздействию окружающей среды намного превосходят другие арамидные волокна.
В 2006 году Калифорнийский университет подписал контракт с армией США на проведение баллистических испытаний для определения баллистических характеристик волокон Zylon. Результаты показывают, что волокно Zylon имеет лучшие характеристики, чем Kevlar29, и при использовании в броне оно эффективно повышает защитные характеристики и мобильность. Хотя волокна PBO имеют такие преимущества, как малый вес, высокая прочность и высокий модуль, они ограничены ухудшением механических свойств во время использования в защитных целях. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали процесс последующей обработки сверхкритической диффузии химических реагентов CO2 для обработки волокон PBO, чтобы снизить скорость снижения их механических свойств и продлить срок службы. Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте изучили стабилизацию волокон ПБО после последующей обработки сверхкритическим CO2, используя сверхкритический CO2 в качестве экстрагента для извлечения остаточной фосфорной кислоты и воды из волокон ПБО, а также используя его в качестве среды для введения различных веществ. Вещество нейтрализует фосфорную кислоту и ослабляет деградирующее действие воды и кислоты на волокна ПБО.
Ламинирование баллистических волокон может быть фактором ухудшения характеристик. Исследователи исследовали влияние складывания на ухудшение характеристик баллистических волокон PBO и экспериментально определили влияние этого механизма разрушения на характеристики защиты брони. Они также дополнительно исследовали влияние складывания на внутреннюю структуру эластичных волокон. Японские исследователи провели много исследований волокон PBO. Например, они изучали термическую обработку для улучшения прочности на растяжение и усталости высокомодульных волокон PBO и изучали влияние скорости сдвига на прочность на растяжение высокомодульных волокон PBO.
