Приложения на въглеродни влакна в балистични композитни материали

Балистичните композитни материали се предлагат в много форми и предлагат различни нива на ефективност. Сред тях подсилените-влакна композити се открояват с лекото си тегло и силна устойчивост на проникване. Те са най-широко изучаваните балистични материали днес и също така най-бързо-развиващият се сегмент на пазара.

Високо{0}}ефективните влакна, които обикновено се използват в подсилени с влакна-балистични композити, включват кевларови влакна, въглеродни влакна, ултра{2}}високо-полиетиленови-молекулярни (UHMWPE) влакна и стъклени влакна. Един въпрос, който често се обсъжда в индустрията, е дали самите въглеродни влакна могат да се използват за балистична защита.

Принципи на работа на балистичните композити

Когато снарядът проникне в композитен материал, се появяват няколко механизма за увреждане едновременно. Те включват разслояване на ламинат, разлепване на влакна и смола, разрушаване на опън на влакна и деформация на задната повърхност. По време на тези процеси кинетичната енергия на снаряда постепенно намалява, което води до балистична защита.

След удара в контактната точка се генерират вълни на напрежение. Тези вълни се разпространяват по два основни начина. Първо, те се движат по оста на влакното. Влакната са свързани със смола в точките на пресичане. Когато вълните на стрес достигнат тези точки, те се прехвърлят към други влакна. Това увеличава зоната на разпределение на напрежението и спомага за разсейването на енергията. Второ, когато вълните на напрежение достигнат интерфейса влакно-смола, възниква отражение и се образува разслояване. Този процес абсорбира допълнителна енергия.

При балистични-композити, подсилени с влакна, ударната повърхност претърпява главно разрушаване при срязване, докато задната повърхност претърпява основно разрушаване при опън. Поради тази причина композитите, подсилени с един вид влакна, често не могат да постигнат оптимални балистични характеристики. Чрез комбиниране на различни влакна и проектиране на слоеста структура може да се постигне по-добра балистична защита.

Преглед на въглеродните влакна

Въглеродните влакна се отнасят до влакна, в които въглеродът представлява повече от 90% от общата маса. Произвежда се от органични влакна чрез твърдо-фазови реакции и образува влакнест полимерен въглероден материал. Въглеродните влакна са известни със своето ниско тегло, висока якост, висок модул, устойчивост на топлина, устойчивост на удар, химическа стабилност и ниско термично разширение.

Въпреки това въглеродните влакна имат ниско удължение при скъсване и ограничена якост. Поради тази причина рядко се използва самостоятелно и се прилага главно като усилващ материал в композитите.

Балистичните жилетки и други защитни брони разчитат на слоести материали, които могат да абсорбират и разпределят енергията на удара. Тези материали обикновено имат висока якост на опън и могат да се деформират при напрежение, което спомага за разсейването на енергията на куршума.

Въпреки че въглеродните влакна имат много висока якост, те имат слаба пластичност и ограничена способност да абсорбират и разсейват кинетичната енергия. Освен това е крехък и склонен към счупване при удар или многократно натоварване. В резултат на това композитите от въглеродни влакна, направени само със смола и въглеродни влакна, не са ефективни за балистична защита. На практика въглеродните влакна обикновено се комбинират с други високо-ефективни влакна за постигане на балистични характеристики.

Ако въглеродните влакна не са подходящи като основен -спиращ куршуми материал, защо все още се използват в някои балистични композити?

Въглеродните влакна се ценят заради високата си специфична якост и издръжливост. Когато се използва като подсилващ компонент в балистични материали, особено когато се комбинира с кевлар или други балистични влакна, подобрява устойчивостта на пробиване и раздробяване. В същото време намалява общото тегло, което подобрява комфорта при носене и мобилността.

Въглеродните влакна допринасят основно по следните начини:

Структурно укрепване:
Въглеродните влакна добавят структурна цялост към композитните балистични материали. Когато е наслоен с кевлар или други балистични влакна, той помага да се запази целостта на материала след удар и подпомага разпределението на енергията на удара, намалявайки риска от проникване.

Намаляване на теглото:
Балистичните композити обикновено разчитат на много{0}}слойни структури за спиране на снаряди. Ниската плътност на въглеродните влакна помага за намаляване на общото тегло, подобрявайки комфорта и гъвкавостта за потребителя.

Въглеродните влакна предлагат висока якост и ниско тегло, но поради своята крехкост и ограничена способност за поглъщане на енергия, те не са балистични сами по себе си. Неговата твърдост и склонност към счупване при удар намаляват ефективността му при спиране на куршуми. Въпреки това, когато се използва като част от композитна система, въглеродните влакна могат да поддържат балистични характеристики. Чрез комбиниране на неговата структурна здравина с други влакна, които абсорбират и разсейват енергията, може да се постигне ефективна балистична защита.

Част от съдържанието, получено онлайн; моля, свържете се с нас за заявки за премахване, ако е приложимо.