Экспериментальная оценка ударной прочности слоистых композитов с термопластичной матрицей

Сергей Борисович Сапожников, Михаил Владиленович Жихарев, Олег Александрович Кудрявцев

Аннотация


Проведены статические испытания нитей арамидных тканей (Twaron®, РУСЛАН®-СВМ) на растяжение для определения их упругих и прочностных характеристик на малогабаритной испытательной машине INSTRON 5942. Эксперименты по вытягиванию нитей были проведены для сравнения сил трения между нитями в различных арамидных тканях. Были изготовлены восемь различных вариантов баллистических панелей с термопластичной матрицей на основе полиэтилена и два вида баллистических панелей на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ марки Dyneema®).

Обширные баллистические испытания были проведены на изготовленных баллистических панелях, использовался стальной шарик диаметром 6,35 мм. Для разгона шарика до скоростей 900 м/с был использован баллистический стенд ЮУрГУ. Баллистические характеристики были оценены с точки зрения предельной характеристики материала – баллистического предела V50.

После испытаний было произведено сравнение эффективности всех материалов, исследованных в данной работе. Композиты, основанные на СВМПЭ волокнах, оказались лучшими из всех рассмотренных материалов по значению баллистического предела (превышение на 10  % по сравнению с ближайшим конкурентом) и по значению поглощенной энергии (около 25  %). Но при превышении баллистического предела способность к поглощению энергии у СВМПЭ резко снижается. При выборе арамидной ткани для баллистических приложений важно учитывать не только механические свойства волокон и тип переплетения, но и все параметры баллистической эффективности такие, как ширина нитей и др. Лучшим баллистическим материалом на основе арамидных тканей стал СВМ S125 с саржевым переплетением и пленками из полиэтилена низкого давления.


Ключевые слова


высокоскоростной удар; защитная структура; СВМПЭ; арамидная ткань; термопластичная матрица

Полный текст:

PDF (English)

Литература


Wagner L. Introduction. In: Bhatnagar A, editor. Lightweight ballistic Composites Military and Law-Enforcement Applications. Abington Hall, Abington, Cambridge CB1 6AH, England, Woodhead Publishing Limited, 2006. p. 1–28.

Leszek A. Utracki. Rigid Ballistic Composites (Review of Literature). Available at: http:// nparc.cisti-icist.nrc-cnrc.gc.ca/npsi/ctrl?action=rtdoc&an=16885314〈=en(accessed 13.08.14).

Hexcel, Technical Fabrics Handbook. Available at: http://www.hexcel.com/Resources/DataSheets/ Brochure-DataSheets/HexForce_Technical_Fabrics_Handbook.pdf (accessed 15.08.14).

JSC “Kamenskvolokno”. Available at: http://www.aramid.ru (accessed 15.09.14).

David N.V., Gao X-L., Zheng J.Q. Ballistic Resistant Body Armor: Contemporary and Prospective Materials and Related Protection Mechanisms. Appl. Mech. Rev., 2009, vol. 62, no. 5, pp. 1–20. DOI: 10.1115/1.3124644

Kulkarni S.G., Gao X-L., Horner S.E., Zheng J.Q., David N.V. Ballistic Helmets – Their Design, Materials, and Performance Against Traumatic Brain Injury. Compos. Struct., 2013, vol. 101,

pp. 313–331. DOI: 10.1016/j.compstruct.2013.02.014

Wambua P., Vangrimde B., Lomov S., Verpoest I. The Response of Natural Fiber Composites to Ballistic Impact by Fragment Simulating Projectiles. Compos. Struct., 2007, vol. 77, pp. 232–240. DOI: 10.1016/j.compstruct.2005.07.006

Cheeseman B.A., Bogetti T.A. Ballistic Impact into Fabric and Compliant Composite Lami-nates. Compos. Struct., 2003, vol. 61, pp. 161–173. DOI: 10.1016/S0263-8223(03)00029-1

Carrillo J.G., Gamboa R.A., Flores-Johnson E.A., Gonzalez-Chi P.I. Ballistic Performance of Thermoplastic composite Laminates Made from Aramid Woven Fabric and Polypropylene Matrix. Polymer Testing, 2012, vol. 31, pp. 512–519. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2012.02.010

Iremonger M.J., Went A.C. Ballistic Impact of Fiber Composite Armors by Fragment-Simulating Projectiles. Compos. Part A, 1996, vol. 27A, pp. 575–581. DOI: 10.1016/1359-835X(96)00029-2

Lee B.L., Walsh T.F., Won S.T., Patts H.M., Song J.W., Mayer A.H. Penetration Failure Mechanisms of Armor-Grade Fiber Composites under Impact. J. Compos. Mater., 2001, vol. 35(18),

pp. 1605–1633. DOI: 10.1106/YRBH-JGT9-U6PT-L555

Gopinath G., Zheng J.Q., Batra R.C. Effect of Matrix on Ballistic Performance of Soft Body Armor. Compos. Struct., 2012, vol. 94, pp. 2690–2696. DOI: 10.1016/j.compstruct.2012.03.038

NATO. Ballistic Test Method for Personal Armor Materials and Combat Clothing, STANAG 2920, 2st ed., July 2003.

Detail Specification. Projectile, Calibers .22, .30, .50, and 20 mm Fragment-Simulating, MIL-DTL-46593B (MR), July 2006.

Armor Clothes, Classification and General Technical Requirements, GOST R 50744-95, September 2013.

Iannucci L., Pope D. High Velocity Impact and Armor Design. eXPRESS. Polymer Letters, 2011, vol. 5(3), pp. 262–272. DOI: 10.3144/expresspolymlett.2011.26

Nguyen L.H., Ryan S., Cimpoeru S.J., Mouritz A.P., Orifici A.C. The Effect of Target Thickness on the Ballistic Performance of Ultra High Molecular Weight Polyethylene Composite. International Journal of Impact Engineering, 2015, vol. 75, pp. 174–183. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2014.07.008

Karthikeyan K., Russell B.P. Polyethylene Ballistic Laminates: Failure Mechanics and Interface Effect. Materials and Design, 2014, vol. 63, pp. 115–125. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.05.069

Greenhalgh E.S., Bloodworth V.M., Iannucci L., Pope D. Fractographic Observations on Dyneema® Composites under Ballistic Impact. Compos. Part A, 2013, vol. 44, pp. 51–62. DOI: 10.1016/j.compositesa.2012.08.012

Grujicic M., Arakere G., He T., Bell W.C., Cheeseman B.A., Yen C.F. et al. A Ballistic Material Model for Cross-Plied Unidirectional Ultra-High Molecular-Weight Polyethylene Fiber-Reinforced

Armor-Grade. Compos. Mater. Sci. J., 2008, vol. 498, pp. 231–241. DOI: 10.1016/j.msea.2008.07.056

Utomo B.D. High-Speed Impact Modeling and Testing of Dyneema Composite. PhD thesis. Delft, 2011.

Soykasap O., Colakoglu M. Ballistic Performance of a Kevlar-29 Woven Fiber Composite

under Varied Temperatures. Mechanics of Composite Materials, 2010, vol. 46 (1), pp. 35–42. DOI: 10.1007/s11029-010-9124-3

Park R., Jang J. Effect of Laminate Thickness on Impact Behavior of Aramid Fiber/Vinylester Composites. Polymer Testing, 2003, vol. 22, pp. 939–946. DOI: 10.1016/S0142-9418(03)00044-8

Sapozhnikov S.B., Kudriavtsev O.A. Kompaktnyi razgonnyi stend dlia ballisticheskikh ispytanii [Compact Accelerator for Ballistic Testing]. Bulletin of the South Ural State University, Series Mechanical Engineering Industry, 2012, vol. 20, no. 33 (292), pp. 139–143. (in Russ.)

Lambert J.P., Jonas G.H. Towards Standardization in Terminal Ballistics Testing: Velocity Representation, BRL Report No. 1852, U.S. Army Ballistic Research Laboratories, Aberdeen Proving Ground, MD. (1976).


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.