Nepriestrelný mechanizmus

Oceľové prilby sa spoliehajú na tvrdosť samotnej ocele, aby odolali nárazom, ale oceľový materiál je vo svojej podstate ťažký. Nepriestrelné prilby vyrobené z ocele sú preto objemné a značne zaťažujú hlavu a krk nositeľa.

Nepriestrelný mechanizmus kompozitných materiálov na báze živice vystužených vláknami je úplne odlišný. V podstate premieňa kinetickú energiu vysokorýchlostných projektilov na potenciálnu energiu kompozitného materiálu a pohlcuje alebo rozptyľuje ju.

Z hľadiska štruktúry kompozitného materiálu, po vystavení balistickému nárazu, formy absorpcie energie kompozitných materiálov zahŕňajú hlavne tri typy: zlomenina výstuže vlákna, zlomenina živicovej matrice a medzifázová delaminácia. Keď vysokorýchlostné guľky dopadnú na materiál, vlákna na dopadovej ploche podstúpia porušenie šmykom pri tlaku, zatiaľ čo vlákna na protiľahlom povrchu podstúpia porušenie ťahom. Energia nárazu sa v kompozitnom materiáli šíri vo forme napäťových vĺn (vrátane priečnych vĺn a pozdĺžnych vĺn), pričom pozdĺžne vlny sa šíria pozdĺž osi vlákien. Výskum zistil, že keď pozdĺžne vlny dosiahnu hraničnú polohu (tj priesečník osnovných a útkových priadzí tkaniny), časť energie nárazu sa odrazí a prekryje s pôvodnými pozdĺžnymi vlnami, čo spôsobí zvýšenie energie nárazu. v tejto polohe, čím dôjde k lámaniu vlákna, ako je znázornené na obrázku 2.

Jednosmerná (UD) tkanina je kompozitná tkanina obsahujúca veľké množstvo vysokovýkonných vlákien iba v jednom smere. Jeho štruktúra je znázornená na obrázku 3.

V tomto type štruktúry tkaniny neexistujú žiadne priesečníky medzi osnovnými a útkovými priadzami, čo umožňuje, aby sa pozdĺžne vlny šírili ďalej bez odrazu. Preto je balistický výkon jednosmerných (UD) textílií vo všeobecnosti lepší ako u tkaných textílií s priesečníkmi. Trojrozmerné (3D) tkaniny vďaka svojim štrukturálnym charakteristikám s väčším ohýbaním a zvrásňovaním vlákien vykazujú horšie schopnosti šírenia napäťových vĺn a následne nižší balistický výkon. Niektorí výskumníci však tvrdia, že prítomnosť Z-twist priadzí v 3D tkaninách poskytuje dobrú štrukturálnu integritu, vynikajúcu odolnosť proti prieniku a odolnosť proti delaminácii, čo vedie k vynikajúcemu balistickému výkonu v porovnaní s inými typmi tkanín. Výskum balistického výkonu 3D látkových kompozitných materiálov stále prebieha.

Vlastnosti kompozitných materiálov okrem výstužnej štruktúry výrazne ovplyvňuje aj výkon samotných výstužných vlákien. Vlákna s vyššou pevnosťou v ťahu, modulom a hustotou umožňujú rýchlejšie šírenie pozdĺžnych vĺn, čím umožňujú rýchlejšiu absorpciu a rozptyl energie nárazu. Preto sa ako výstužné vlákna pre nepriestrelné kompozitné materiály bežne vyberajú vysokovýkonné vlákna, ako sú aramidové a UHMWPE vlákna.

Problematika lomu živicovej matrice súvisí predovšetkým s charakteristikami samotnej matrice. Napríklad termosetové živice majú vysokú tuhosť a krehkosť, čo ich robí náchylnými na zlomenie pri náraze, zatiaľ čo termoplastické živice vykazujú dobrú húževnatosť a odolnosť proti nárazu, ale sú náchylnejšie na deformáciu.

V štruktúrach kompozitných materiálov umožňuje prítomnosť rozhraní vystuženie vlákien a živicovej matrice vytvoriť kompletný kompozitný materiál, a tým vykazuje dobré mechanické vlastnosti. Okrem toho rozhrania tiež zohrávajú úlohu pri prenose priečnych napäťových vĺn. Medzifázová delaminácia je ďalšou dôležitou formou absorpcie energie v kompozitných materiáloch, ale pevnosť spojenia rozhraní musí byť mierna. Nízka pevnosť spoja môže viesť k silnej delaminácii a kĺzaniu vlákien, čo ovplyvňuje výkon kompozitných materiálov, zatiaľ čo nadmerná pevnosť spoja môže obmedziť efektívne využitie vysokej pevnosti a modulu vlákien a znížiť balistický výkon kompozitného materiálu obmedzením balenia. uhol projektilov.