Пуленепробиваемый механизм

Стальные шлемы полагаются на твердость самой стали, чтобы противостоять ударам, но стальной материал по своей природе тяжелый. Пуленепробиваемые шлемы из стали поэтому громоздкие, накладывая значительную нагрузку на голову и шею владельца.

Механизм пуленепробиваемости композитных материалов на основе армированной волокном смолы совершенно иной. По сути, он преобразует кинетическую энергию высокоскоростных снарядов в потенциальную энергию композитного материала и поглощает или рассеивает ее.

С точки зрения структуры композитного материала, после воздействия баллистического удара формы поглощения энергии композитными материалами в основном включают три типа: разрушение армирования волокнами, разрушение матрицы смолы и межфазное расслоение. Когда высокоскоростные пули ударяют по материалу, волокна на поверхности удара подвергаются разрушению при сжатии и сдвиге, в то время как волокна на противоположной поверхности подвергаются разрушению при растяжении. Энергия удара распространяется в композитном материале в виде волн напряжения (включая поперечные волны и продольные волны), причем продольные волны распространяются вдоль оси волокон. Исследования показали, что когда продольные волны достигают граничного положения (т. е. пересечения нитей основы и утка ткани), часть энергии удара будет отражаться и накладываться на исходные продольные волны, вызывая увеличение энергии удара в этом положении, тем самым инициируя разрушение волокна, как показано на рисунке 2.

Однонаправленная (UD) ткань — это композитная ткань, содержащая большое количество высокопроизводительных волокон только в одном направлении. Ее структура показана на рисунке 3.

В этом типе структуры ткани нет точек пересечения между нитями основы и утка, что позволяет продольным волнам распространяться дальше без отражения. Поэтому баллистические характеристики однонаправленных (UD) тканей, как правило, превосходят характеристики тканых тканей с точками пересечения. Трехмерные (3D) ткани из-за своих структурных характеристик с большим изгибом волокон и складчатостью демонстрируют худшие возможности распространения волн напряжения и, следовательно, более низкие баллистические характеристики. Однако некоторые исследователи утверждают, что наличие нитей Z-крутки в 3D-тканях обеспечивает хорошую структурную целостность, превосходное сопротивление проникновению и сопротивление расслоению, что приводит к превосходным баллистическим характеристикам по сравнению с другими типами тканей. Исследования баллистических характеристик композитных материалов 3D-тканей все еще продолжаются.

Помимо структуры армирования, эксплуатационные характеристики самих армирующих волокон также существенно влияют на свойства композитных материалов. Волокна с более высокой прочностью на разрыв, модулем и плотностью обеспечивают более быстрое распространение продольных волн, способствуя более быстрому поглощению и рассеиванию энергии удара. Поэтому высокопроизводительные волокна, такие как арамидные и волокна UHMWPE, обычно выбираются в качестве армирующих волокон для пуленепробиваемых композитных материалов.

Проблема разрушения матрицы смолы в первую очередь связана с характеристиками самой матрицы. Например, термореактивные смолы обладают высокой жесткостью и хрупкостью, что делает их склонными к разрушению при ударе, в то время как термопластичные смолы демонстрируют хорошую прочность и ударопрочность, но более подвержены деформации.

В композитных структурах наличие интерфейсов позволяет армирующим волокнам и смоляной матрице образовывать полноценный композитный материал, тем самым демонстрируя хорошие механические свойства. Кроме того, интерфейсы также играют роль в передаче поперечных волн напряжения. Интерфейсное расслоение является еще одной важной формой поглощения энергии в композитных материалах, но прочность связи интерфейсов должна быть умеренной. Низкая прочность связи может привести к серьезному расслоению и проскальзыванию волокон, что влияет на эксплуатационные характеристики композитных материалов, в то время как чрезмерная прочность связи может ограничить эффективное использование высокой прочности и модуля волокон и снизить баллистические характеристики композитного материала, ограничивая угол оборачивания снарядов.