Aplikácia uhlíkových vlákien v balistických kompozitných materiáloch

Balistické kompozitné materiály prichádzajú v mnohých formách a ponúkajú rôzne úrovne výkonu. Medzi nimi vláknami-vystužené kompozity vynikajú nízkou hmotnosťou a silnou odolnosťou proti prieniku. Sú to dnes najviac študované balistické materiály a tiež najrýchlejšie-rastúci segment na trhu.

Vysoko{0}}výkonné vlákna bežne používané vo vláknami-vystužených balistických kompozitoch zahŕňajú kevlarové vlákno, uhlíkové vlákno, ultra-vysoko{3}}polyetylénové-vlákno (UHMWPE) a sklenené vlákno. Jednou z často diskutovaných otázok v priemysle je, či samotné uhlíkové vlákna možno použiť na balistickú ochranu.

Princípy fungovania balistických kompozitov

Pri preniknutí projektilu do kompozitného materiálu dochádza súčasne k niekoľkým mechanizmom poškodenia. Patria sem delaminácia laminátu, rozpájanie vlákna a živice, porušenie ťahom vlákna a deformácia zadnej strany. Počas týchto procesov sa kinetická energia strely postupne znižuje, čo vedie k balistickej ochrane.

Po dopade sa na kontaktnom mieste vytvoria napäťové vlny. Tieto vlny sa šíria dvoma hlavnými spôsobmi. Najprv sa pohybujú pozdĺž osi vlákna. Vlákna sú v priesečníkoch spájané živicou. Keď stresové vlny dosiahnu tieto body, prenesú sa na iné vlákna. To zväčšuje oblasť rozloženia napätia a pomáha rozptyľovať energiu. Po druhé, keď napäťové vlny dosiahnu rozhranie vlákno-živica, dochádza k odrazu a vytvára sa delaminácia. Tento proces absorbuje dodatočnú energiu.

V balistických kompozitoch vystužených vláknami- dochádza pri nárazovej ploche k poruche hlavne v strihu, zatiaľ čo na zadnej strane dochádza k poruche hlavne v ťahu. Z tohto dôvodu kompozity vystužené jedným typom vlákna často nedokážu dosiahnuť optimálny balistický výkon. Kombináciou rôznych vlákien a navrhnutím vrstvenej štruktúry možno dosiahnuť lepšiu balistickú ochranu.

Prehľad uhlíkových vlákien

Uhlíkové vlákna sú vlákna, v ktorých uhlík tvorí viac ako 90 % celkovej hmoty. Vyrába sa z organických vlákien prostredníctvom reakcií v tuhej-fáze a tvorí vláknitý polymérny uhlíkový materiál. Uhlíkové vlákno je známe pre svoju nízku hmotnosť, vysokú pevnosť, vysoký modul, tepelnú odolnosť, odolnosť proti nárazu, chemickú stabilitu a nízku tepelnú rozťažnosť.

Uhlíkové vlákno má však nízku ťažnosť pri pretrhnutí a obmedzenú húževnatosť. Z tohto dôvodu sa zriedka používa samostatne a používa sa hlavne ako výstužný materiál v kompozitoch.

Balistické vesty a iné ochranné brnenia sa spoliehajú na vrstvené materiály, ktoré dokážu absorbovať a distribuovať energiu nárazu. Tieto materiály majú zvyčajne vysokú pevnosť v ťahu a môžu sa deformovať pod tlakom, čo pomáha rozptýliť energiu strely.

Hoci uhlíkové vlákno má veľmi vysokú pevnosť, má slabú ťažnosť a obmedzenú schopnosť absorbovať a rozptyľovať kinetickú energiu. Je tiež krehký a náchylný na zlomenie pri náraze alebo opakovanom zaťažení. Výsledkom je, že kompozity z uhlíkových vlákien vyrobené len zo živice a uhlíkových vlákien nie sú účinné pre balistickú ochranu. V praxi sa uhlíkové vlákna zvyčajne kombinujú s inými-výkonnými vláknami na dosiahnutie balistického výkonu.

Ak uhlíkové vlákno nie je vhodné ako hlavný materiál-zastavujúcej strely, prečo sa stále používa v niektorých balistických kompozitoch?

Uhlíkové vlákno je cenené pre svoju vysokú špecifickú pevnosť a odolnosť. Pri použití ako výstužný komponent v balistických materiáloch, najmä v kombinácii s kevlarom alebo inými balistickými vláknami, zlepšuje odolnosť proti prepichnutiu a triešteniu. Zároveň znižuje celkovú hmotnosť, čo zvyšuje komfort nosenia a mobilitu.

Uhlíkové vlákno prispieva hlavne nasledujúcimi spôsobmi:

Konštrukčné vystuženie:
Uhlíkové vlákno dodáva kompozitným balistickým materiálom štrukturálnu integritu. Pri vrstvení s kevlarom alebo inými balistickými vláknami pomáha zachovať celistvosť materiálu po náraze a podporuje distribúciu energie nárazu, čím znižuje riziko prepichnutia.

Zníženie hmotnosti:
Balistické kompozity sa zvyčajne spoliehajú na viac{0}}vrstvové štruktúry na zastavenie projektilov. Nízka hustota uhlíkových vlákien pomáha znižovať celkovú hmotnosť, zlepšuje pohodlie a flexibilitu pre nositeľa.

Uhlíkové vlákno ponúka vysokú pevnosť a nízku hmotnosť, ale vďaka svojej krehkosti a obmedzenej schopnosti absorpcie energie nie je samo osebe balistické. Jeho tuhosť a tendencia lámať sa pri náraze znižuje jeho účinnosť pri zastavení striel. Ak sa však uhlíkové vlákno používa ako súčasť kompozitného systému, môže podporovať balistický výkon. Kombináciou jeho štrukturálnej pevnosti s inými vláknami, ktoré absorbujú a rozptyľujú energiu, možno dosiahnuť účinnú balistickú ochranu.

nejaký obsah získaný online; v prípade potreby nás kontaktujte so žiadosťou o odstránenie.