Готовые компоненты пуленепробиваемого шлема

Принцип формирования ткани UD: После равномерного выравнивания волокон в одном направлении и соединения их со смолой, они затем ортогонально ламинируются и сжимаются. Этот метод формирования позволяет избежать потери прочности, вызванной переплетением волокон в процессе производства. Поскольку в тканях UD нет изгиба или переплетения нитей, характеристики высокопроизводительных волокон могут быть лучше использованы, и волокна не будут скользить из-за фиксации смолой. Ударные волны, действующие на них, также могут быстро передаваться и поглощаться.

В настоящее время наиболее широко используемыми волокнами для армирования тканей UD на рынке являются волокна UHMWPE и арамидные волокна. Формовочное оборудование для тканей UD в основном включает однонаправленные композитные машины и однонаправленные тканевые машины роликового типа. Смола, используемая для приготовления тканей UD, должна соответствовать следующим требованиям: хорошая пропитка; смола после формования должна обладать определенной прочностью, не ломаться и не давать усадку; и она должна соответствовать требованиям баллистической защиты. Обычные смолы, которые отвечают этим требованиям, в основном включают полиуретан, каучук и ненасыщенные полиэфирные смолы. В последние годы, с постоянным развитием полиуретана на водной основе, его доля применения в тканях UD увеличивается с каждым годом.

Благодаря хорошим адгезионным свойствам волокон UHMWPE с термопластичными смолами, особенно с полиуретаном на водной основе, волокна UHMWPE являются основным сырьем для производства тканей UD. Для сравнения, арамидные волокна плохо совместимы с чистым полиуретаном на водной основе, поэтому их эксплуатационные характеристики не так хороши, как у тканей UD из волокон UHMWPE, и для улучшения адгезионного эффекта на арамидных волокнах необходимы модификации полиуретана на водной основе.

Двухмерные ткани ткут из двух наборов нитей, перпендикулярных друг другу, в соответствии с определенным рисунком. Высокопроизводительные волокна обычно ткут в ткани с полотняным переплетением, поскольку сбалансированная и стабильная структура полотняного переплетения обеспечивает лучшее распределение напряжений. Однако во время ткачества основные нити значительно повреждаются, что влияет на эксплуатационные характеристики нитей и в конечном итоге снижает защитные характеристики конечного композитного материала. Кроме того, поскольку в этой структуре много пересечений, многократные отражения волн напряжения могут привести к чрезмерному напряжению и разрыву волокон. Двухмерные компоненты ткани также могут использовать саржевое переплетение, которое, по сравнению с полотняным переплетением, имеет меньше пересечений, что облегчает распространение напряжений.

В настоящее время в области армированных волокном композитных материалов двумерные ткани по-прежнему наиболее широко используются, поскольку процесс плетения для этой структуры прост, а исследования свойств композитных материалов, полученных из таких тканей, являются зрелыми. Однако при использовании двумерных тканей для изготовления пуленепробиваемых шлемов структурные характеристики приводят к плотному плетению ткани, что затрудняет скольжение нитей при укладке на изогнутые формы, вызывая складки и препятствуя их хорошему прилипанию к изогнутым формам. Это требует резки, которая может поставить под угрозу механические свойства ткани на режущей кромке, тем самым влияя на защитные характеристики продукта.

В настоящее время в процессе производства пуленепробиваемых шлемов, из-за сложной изогнутой структуры шлемов, заводы обычно используют метод резки, сращивания, ламинирования и последующего формования тканей UD или двумерных тканей. Этот подход приводит к таким проблемам, как серьезные отходы материала, низкая эффективность производства, высокие затраты, плохие механические характеристики и недостаточная баллистическая защита в местах соединений, что создает угрозу безопасности.

Трехмерные ткани могут эффективно решать эти проблемы. В сложном процессе криволинейного формования они могут достичь отсутствия разрезов, сращивания и складок, тем самым обеспечивая непрерывность и целостность композитных материалов. Бандуар и др. подготовили двухмерную тканую броню и трехмерную армированную броню и провели баллистические испытания и анализ численного моделирования на них.

Результаты показали, что предельная баллистическая скорость V50 трехмерной армированной брони была выше, чем у двухмерной тканой брони. Причина этого в том, что пучки нитей (нити Z-кручения) в трехмерной армированной структуре улучшают противорасслаивающие характеристики баллистических композитных материалов, тем самым повышая эффективность баллистической защиты.

Кроме того, толщина трехмерных тканей больше, чем у двухмерных, что приводит к более низкой скорости проникновения пуль и, следовательно, к лучшим показателям пуленепробиваемости. Однако из-за сложности плетения трехмерных тканей, высоких производственных затрат и того факта, что баллистические характеристики все еще находятся на стадии поисковых исследований, они не получили широкого распространения в настоящее время. Тем не менее, ткани с таким типом организационной структуры имеют большой потенциал применения.