Применение углеродного волокна в баллистических композиционных материалах

Баллистические композиционные материалы бывают разных форм и имеют разные уровни эффективности. Среди них композиты, армированные волокном-, выделяются своим легким весом и высокой устойчивостью к проникновению. Сегодня это наиболее широко изучаемые баллистические материалы, а также самый быстрорастущий-сегмент на рынке.

Высококачественные-волокна, обычно используемые в армированных волокнами баллистических композитах, включают кевларовое волокно, углеродное волокно, волокно из сверх-высокого-молекулярного-полиэтилена (СВМПЭ) и стекловолокно. В отрасли часто обсуждается вопрос, можно ли использовать само углеродное волокно для баллистической защиты.

Принципы работы баллистических композитов

При пробитии снарядом композиционного материала одновременно возникает несколько механизмов повреждения. К ним относятся расслоение ламината, разрыв связи волокна со смолой, разрушение волокна при растяжении и деформация задней поверхности. В ходе этих процессов кинетическая энергия снаряда постепенно снижается, что приводит к баллистической защите.

После удара в точке контакта возникают волны напряжения. Эти волны распространяются двумя основными способами. Сначала они перемещаются вдоль оси волокна. Волокна скреплены смолой в местах пересечения. Когда волны напряжения достигают этих точек, они передаются на другие волокна. Это увеличивает зону распределения напряжения и способствует рассеиванию энергии. Во-вторых, когда волны напряжения достигают границы раздела волокно–смола, происходит отражение и формируется расслоение. Этот процесс поглощает дополнительную энергию.

В баллистических композитах, армированных волокном-, ударная поверхность в основном подвергается разрушению при сдвиге, тогда как задняя поверхность в основном подвергается разрушению при растяжении. По этой причине композиты, армированные волокнами одного типа, часто не могут достичь оптимальных баллистических характеристик. Комбинируя различные волокна и создавая многослойную структуру, можно добиться лучшей баллистической защиты.

Обзор углеродного волокна

Углеродное волокно относится к волокнам, в которых углерод составляет более 90% общей массы. Он производится из органических волокон посредством твердофазных реакций и образует волокнистый полимерный углеродный материал. Углеродное волокно известно своим малым весом, высокой прочностью, высоким модулем упругости, термостойкостью, ударопрочностью, химической стабильностью и низким тепловым расширением.

Однако углеродное волокно имеет низкое удлинение при разрыве и ограниченную прочность. По этой причине он редко используется отдельно и в основном применяется в качестве армирующего материала в композитах.

Баллистические жилеты и другая защитная броня состоят из слоистых материалов, которые могут поглощать и распределять энергию удара. Эти материалы обычно обладают высокой прочностью на разрыв и могут деформироваться под нагрузкой, что способствует рассеиванию энергии пули.

Хотя углеродное волокно имеет очень высокую прочность, оно имеет плохую пластичность и ограниченную способность поглощать и рассеивать кинетическую энергию. Он также хрупок и склонен к разрушению при ударе или многократной нагрузке. В результате композиты из углеродного волокна, состоящие только из смолы и углеродного волокна, неэффективны для баллистической защиты. На практике углеродное волокно обычно комбинируют с другими волокнами с высокими-характеристиками для достижения баллистических характеристик.

Если углеродное волокно не подходит в качестве основного материала,-задерживающего пулю, то почему его до сих пор используют в некоторых баллистических композитах?

Углеродное волокно ценится за свою высокую удельную прочность и долговечность. При использовании в качестве армирующего компонента в баллистических материалах, особенно в сочетании с кевларом или другими баллистическими волокнами, он повышает устойчивость к проколу и фрагментации. В то же время снижается общий вес, что повышает комфорт ношения и мобильность.

Углеродное волокно в основном способствует следующим образом:

Структурное усиление:
Углеродное волокно придает структурную целостность композитным баллистическим материалам. Слой кевлара или других баллистических волокон помогает сохранить целостность материала после удара и способствует распределению энергии удара, снижая риск проникновения.

Снижение веса:
Баллистические композиты обычно состоят из многослойных-структур, которые останавливают снаряды. Низкая плотность углеродного волокна помогает снизить общий вес, повышая комфорт и гибкость для пользователя.

Углеродное волокно обладает высокой прочностью и малым весом, но из-за своей хрупкости и ограниченной способности поглощать энергию само по себе не является баллистическим. Его жесткость и склонность к разрушению при ударе снижают его эффективность в остановке пуль. Однако при использовании в составе композитной системы углеродное волокно может обеспечить баллистические характеристики. Объединив его структурную прочность с другими волокнами, которые поглощают и рассеивают энергию, можно достичь эффективной баллистической защиты.

Некоторый контент взят из Интернета; пожалуйста, свяжитесь с нами для запросов на удаление, если это применимо.