Skuddsikker mekanisme

Stålhjelmer er avhengige av hardheten til selve stålet for å motstå støt, men stålmaterialet er iboende tungt. Skottsikre hjelmer laget av stål er derfor klumpete, og påfører brukerens hode og nakke en betydelig belastning.

Den skuddsikre mekanismen til fiberforsterkede harpiksbaserte komposittmaterialer er helt annerledes. I hovedsak konverterer den den kinetiske energien til høyhastighetsprosjektiler til den potensielle energien til komposittmaterialet og absorberer eller sprer den.

Fra perspektivet til komposittmaterialestrukturen, etter å ha blitt utsatt for ballistisk påvirkning, inkluderer energiabsorpsjonsformene til komposittmaterialer hovedsakelig tre typer: fiberarmeringsbrudd, harpiksmatrisebrudd og grenseflatedelaminering. Når høyhastighetskuler treffer materialet, gjennomgår fibrene på støtoverflaten kompresjonsskjærsvikt, mens fibrene på den motsatte overflaten gjennomgår strekkbrudd. Slagenergien forplanter seg i komposittmaterialet i form av spenningsbølger (inkludert tverrbølger og langsgående bølger), med de langsgående bølgene som forplanter seg langs fibrenes akse. Forskning har funnet at når langsgående bølger når grenseposisjonen (dvs. skjæringspunktet mellom varp- og veftgarnene til stoffet), vil noe av slagenergien reflekteres og legges over de opprinnelige langsgående bølgene, noe som forårsaker en økning i slagenergien. i den posisjonen, og derved initierer fiberbrudd, som vist i figur 2.

Enveis (UD) stoff er et komposittstoff som inneholder et stort antall høyytelsesfibre bare i en enkelt retning. Strukturen er vist i figur 3.

I denne typen stoffstruktur er det ingen skjæringspunkter mellom varp- og veftgarn, noe som gjør at langsgående bølger kan forplante seg videre uten refleksjon. Derfor er den ballistiske ytelsen til enveis (UD) stoffer generelt overlegen den til vevde stoffer med skjæringspunkter. Tredimensjonale (3D) stoffer, på grunn av deres strukturelle egenskaper med mer fiberbøyning og rynking, viser dårligere evne til å forplante spenningsbølger og følgelig lavere ballistisk ytelse. Imidlertid hevder noen forskere at tilstedeværelsen av Z-twist-garn i 3D-stoffer gir god strukturell integritet, utmerket penetrasjonsmotstand og delamineringsmotstand, noe som resulterer i overlegen ballistisk ytelse sammenlignet med andre stofftyper. Forskning på ballistisk ytelse til 3D-stoffkomposittmaterialer pågår fortsatt.

Bortsett fra armeringsstrukturen, påvirker ytelsen til selve armeringsfibrene også egenskapene til komposittmaterialer betydelig. Fibre med høyere strekkfasthet, modul og tetthet muliggjør raskere forplantning av langsgående bølger, noe som letter raskere absorpsjon og spredning av slagenergi. Derfor velges høyytelsesfibre som aramid- og UHMWPE-fibre ofte som forsterkende fibre for skuddsikre komposittmaterialer.

Spørsmålet om harpiksmatrisebrudd er først og fremst knyttet til egenskapene til selve matrisen. For eksempel har termoherdende harpikser høy stivhet og sprøhet, noe som gjør dem utsatt for brudd ved støt, mens termoplastiske harpikser viser god seighet og slagfasthet, men er mer utsatt for deformasjon.

I komposittmaterialstrukturer gjør tilstedeværelsen av grensesnitt det mulig for forsterkende fibre og harpiksmatrise å danne et komplett komposittmateriale, og dermed vise gode mekaniske egenskaper. I tillegg spiller grensesnitt også en rolle ved overføring av tverrgående spenningsbølger. Grensesnittdelaminering er en annen viktig form for energiabsorpsjon i komposittmaterialer, men bindingsstyrken til grensesnitt må være moderat. Lav bindingsstyrke kan føre til alvorlig delaminering og fiberglidning, noe som påvirker ytelsen til komposittmaterialer, mens overdreven bindingsstyrke kan begrense den effektive utnyttelsen av fibrenes høye styrke og moduler og redusere den ballistiske ytelsen til komposittmaterialet ved å begrense innpakningen vinkelen til prosjektilene.