Ảnh hưởng của các thuộc tính gốm đến hiệu suất đạn đạo của áo giáp composite hybrid gốm - đa lớp UHMWPE

Marzena Fejdyś1, Katarzyna Kośla1, Agnieszka Kucharska-Jastrząbek1, Marcin Łandwijt1
1Institute of Security Technologies "MORATEX", Marii Sklodowskiej-Curie 3, 90-505, Lodz, Poland

Tóm tắt

Tóm tắtNghiên cứu hiện tại liên quan đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thuộc tính vật lý - cơ học của vật liệu gốm đến khả năng chống đạn của một khái niệm mới về áo giáp composite hybrid, gốm - đa lớp UHMWPE được phát triển bằng cách sử dụng gốm SiC và Al2O3với độ dày khác nhau. Kiểm tra khả năng đạn đạo của thiết kế áo giáp composite mới đã được tiến hành trong phạm vi bảo vệ chống lại hơn một viên đạn (multi-hit) sử dụng đạn 7.62 × 39 mm MSC và 5.56 × 45 mm SS109. Các thử nghiệm về các thuộc tính vật lý - cơ học, bao gồm việc xác định mật độ, trở kháng âm, mô đun Young, độ cứng và khả năng chống nứt giòn, đã được thực hiện đối với các vật liệu gốm. Kết quả thu được cho thấy rằng hành vi đạn đạo của hệ thống thử nghiệm dựa trên các viên gạch gốm được làm từ những vật liệu giống nhau (SiC hoặc Al2O3) với các độ dày khác nhau không tương quan trực tiếp với độ cứng, độ nứt giòn, hoặc mô đun Young của gốm. Đối với các tấm gốm có cùng độ dày được làm từ những vật liệu khác nhau về mặt hóa học, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khả năng chống đạn của hệ thống thử nghiệm không chỉ phụ thuộc vào trở kháng âm của các tấm gốm, mà còn phụ thuộc vào khả năng chống nứt giòn K1c là một tham số quan trọng của các tấm gốm tham gia vào thành phần của áo giáp, và nó nên đạt giá trị càng cao càng tốt. Chỉ có sự kết hợp của hai thuộc tính này mới mang lại bảo vệ đạn đạo tốt nhất cho áo giáp khi thử nghiệm với quy trình multi-hit sử dụng đạn 7.62 × 39 mm MSC và 5.56 × 45 mm SS 109.

Từ khóa

#gốm #áo giáp composite #gốm - đa lớp #UHMWPE #khả năng chống đạn #thuộc tính vật lý #cơ học #thử nghiệm đạn đạo

Tài liệu tham khảo

Kumar, N.: Bulletproof vest and its improvement—a review. Int. J. Sci. Dev. Res. 1, 34–39 (2016)

Yang, Y., Chen, X.: Determination of materials for hybrid design of 3D soft body armour panels. Appl. Compos. Mater. (2018). https://doi.org/10.1007/s10443-018-9716-y

Yang, Y., Chen, X.: Investigation on energy absorption efficiency of each layer in ballistic armour panel for applications in hybrid design. Compos. Struct. (2017). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.12.057

Mawkhlieng, U., Majumdar, A., Laha, A.: A review of fibrous materials for soft body armour applications. RSC Adv. (2020). https://doi.org/10.1039/c9ra06447h

NIJ 0101.04, Ballistic resistance of personal body armour

Azrin Hani, A.R., Roslan, A., Mariatti, J., Maziah, M.: Body armor technology: a review of materials, Construction techniques and enhancement of ballistic energy absorption. Adv. Mat. Res. (2012). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.488-489.806

Perry, A.: Ballistic-resistant body armor: problems and coping strategies. J. Text Appar. Technol. Manag. 10, 1–14 (2018)

Fejdyś, M., Kucharska-Jastrząbek, A., Kośla, K.: Effect of accelerated ageing on the ballistic resistance of hybrid composite armour with advanced ceramics and UHMWPE fibres. Fibres Text. East. Eur. (2020). https://doi.org/10.5604/01.3001.0013.0748

Crouch, I.G.: Body armour—new materials, new systems. Def. Technol. (2019). https://doi.org/10.1016/j.dt.2019.02.002

Cegła, M., Habaj, W., Stępniak, W., Podgórzak, P.: Hybrid ceramic-textile composite armour structures for a strengthened bullet-proof vest. Fibres Text. East. Eur. 23, 85–88 (2015)

Ruys, A.J.: Alumina in lightweight body armor. In: Alumina Ceramics: Biomedical and Clinical Applications, Woodhead Publishing Series in Biomaterials, pp. 321–368. Woodhead Publ., Cambridge (2019). https://doi.org/10.1016/C2017-0-01189-8

Bracamonte, L., Loutfy, R., Yilmazcoban, I.K., Rajan, S.D.: Design, manufacture, and analysis of ceramic-composite armor. In: Lightweight Ballistic Composites: Military and Law-Enforcement Applications, 2nd Edition, pp. 349–367. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering, Cambridge (2016). doi:https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100406-7.00012-X

Medvedovski, E.: Ballistic performance of armour ceramics: influence of design and structure. Part 1. Ceram. Int. (2010). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.05.021

James, B.: Practical issues in ceramic armour design. In: McCauley, J.W., Crowson, A., Gooch Jr., W.A., Rajendran, A.M., Bless, S.J., Logan, K.V., Normandia, M., Wax, S. (eds.) Ceramic Armour Materials by Design. Proceedings of the Ceramic Armor Materials by Design Symposium Held at the Pac Rim IV International Conference on Advanced Ceramics and Glass. Ceramic Transactions, pp. 33–44. The American Ceramic Society, Westerville (2002)

Heidenreich, B., Gahr, M., Medvedovski, E.: Biomorphic reaction bonded silicon carbide ceramics for armour applications. In: Medvedovski, E. (ed.) Ceramic Armor and Armor Systems II, vol. 178, pp. 45–53. Ceramic Transactions Series, The American Ceramic Society, Westerville (2006)

Hazell, P.J., Roberson, C.J., Moutinho, M.: The design of mosaic armour: the influence of tile size on ballistic performance. Mater. Des. (2008). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2008.03.003

James, B.: Depth of penetration testing. In: McCauley, J.W., Crowson, A., Gooch Jr., W.A., Rajendran, A.M., Bless, S.J., Logan, K.V., Normandia, M., Wax, S. (eds.) Ceramic Armour Materials by Design. Proceedings of the Ceramic Armor Materials by Design Symposium Held at the Pac Rim IV International Conference on Advanced Ceramics and Glass. Ceramic Transactions, pp. 165–172. The American Ceramic Society, Westerville (2002)

Normandia, M.J., Gooch, W.A.: An overview of ballistic testing methods of ceramic materials. In: McCauley, J.W., Crowson, A., Gooch Jr., W.A., Rajendran, A.M., Bless, S.J., Logan, K.V., Normandia, M., Wax, S. (eds.) Ceramic Armour Materials by Design. Proceedings of the Ceramic Armor Materials by Design Symposium Held at the Pac Rim IV International Conference on Advanced Ceramics and Glass. Ceramic Transactions, pp. 113–138. The American Ceramic Society, Westerville (2002)

Bless, S.J., Jurick, D.L.: Design for multi-hit capability. Int. J. Impact Eng. (1998). https://doi.org/10.1016/S0734-743X(98)00042-6

Rosset, W.S.: Patterned armour performance evaluation. Int. J. Impact Eng. (2005). https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2004.07.009

Medvedovski, E.: Lightweight ceramic composite armour system. Adv. Appl. Ceram. (2006). https://doi.org/10.1179/174367606X113537

Savio, S.G., Ramanjaneyulu, K., Madhu, V., Balakrishna Bhat, T.: An experimental study on ballistic performance of boron carbide tiles. Int. J. Impact Eng. (2011). https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2011.01.006

Woodward, R.L., Baxter, B.J.: Ballistic evaluation of ceramics: influence of test conditions. Int. J. Impact Eng. (1994). https://doi.org/10.1016/S0734-743X(05)80024-7

Shockey, D.A., Marchand, A.H., Skaggs, S.R., Cort, G.E., Burkett, M.W., Parker, R.: Failure phenomenology of confined ceramic targets and impacting. Rods. Int. J. Impact Eng. (1990). https://doi.org/10.1016/0734-743X(90)90002-D

Fejdyś, M., Kośla, K., Kucharska-Jastrząbek, A., Łandwijt, M.: Hybride composite armour systems with advanced ceramics and ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fibres. Fibres Text. East. Eur. (2016). https://doi.org/10.5604/12303666.1196616

Fejdyś, M., Kośla, K., Kucharska-Jastrząbek, A., Łandwijt, M., Struszczyk M.H., Habaj, W., Stępniak, W., Cegła, M., Podgórzak, P., Szuflita, W., Sykuł, A.P., Knopik, E., Pieniążek, D.: Ballistic composite with increased resistance to multiple missile hit Polish patent no. PL413587 27, (2017)

PN-EN ISO 2286-2:2016-11, Rubber- or plastics-coated fabrics—determination of roll characteristics—part 2: methods for determination of total mass per unit area, mass per unit area of coating and mass per unit area of substrate

PN-EN ISO 2286-3:2016-11, Rubber- or plastics-coated fabrics—determination of roll characteristics—part 3: method for determination of thickness

PN-EN ISO 1421:2017-02, Rubber- or plastics-coated fabrics—determination of tensile strength and elongation at break

Fejdyś, M., Błaszczyk, W., Kucińska-Król, I., Łandwijt, M., Struszczyk, M.H.: Hybrid ballistic helmets. In: Struszczyk, M.H. (ed.) Modern Ballistic Body Armours and Covers for Transportation Means As Well as for Buildings, Made on a Basis of Textile Composites, pp. 48–71. Piktor, Lodz (2012)

PN-V-87000:2011, Lightweight ballistic shields. Bullet- and fragmentproof vests. Requirements and test methods

BS EN 993-1:1995, Methods of test for dense shaped refractory products—part 1: determination of bulk density, apparent porosity and true porosity

Szymański, A., Szymański, J.M.: Research hardness of minerals, rocks and products of their processing. Wydawnictwo Geologiczne, Warsaw (1976)

PN-79/H-04361, Measuring the hardness of metals Vickers method with loads of less than 9.8 N

PN-EN ISO 6507-1:2018-05, Metallic materials—Vickers hardness test—part 1: test method

Śliwiński, A.: Ultrasound and their use. WNT, Warsaw (2001)

ASTM C 1419-99a, Standard test method for sonic velocity in refractory materials at room temperature and its use in obtaining an approximate Young’s modulus

NATO STANAG 4569 (AEP-55 Vol.1), Protection levels for occupants of logistic and light armored vehicles

Rosenberg, Z., Bless, S.J., Yeshurun, Y., Okajima, K.: A new definition of ballistic efficiency of brittle materials based on the use of thick backing plates. In: Chiem, C.Y., Kunze, H.D., Meyer, L.W. (eds.) Proceedings of the “Impact 87” Symposium, Impact Loading and Dynamic Behaviour of Materials, vol. 1, pp. 491–498. DCM Informationsgesellschaft, Bremen (1988)

Bless, S.J., Rosenberg, Z., Yoon, B.: Hypervelocity penetration of ceramics. Int. J. Impact Eng. (1987). https://doi.org/10.1016/0734-743X(87)90036-4

Medvedovski, E.: Alumina ceramics for ballistic protection. Part 2. Am. Ceram. Soc. Bull. 81, 47–53 (2002)

Tan, Z.H., Han, X., Zhang, W., Luo, S.H.: An investigation on failure mechanisms of ceramic/metal armour subjected to the impact of tungsten projectile. Int. J. Impact Eng. (2010). https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2010.07.004

Witek, A., Osuchowski, M., Oziębło, A., Perkowski, K., Witosławska, I., Konopka, G.: The mechanism of ballistic ceramics fragmentation. Ceram. Mater. 64(3), 367–370 (2012)