کاربردهای فیبر کربن در مواد کامپوزیتی بالستیک

مواد کامپوزیتی بالستیک به اشکال مختلفی وجود دارند و سطوح عملکرد متفاوتی را ارائه می دهند. در میان آنها، کامپوزیت های تقویت شده با الیاف به دلیل وزن سبک و مقاومت قوی در برابر نفوذ، متمایز هستند. آنها امروزه به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند و همچنین سریعترین بخش{3}}در حال رشد در بازار هستند.

الیاف با کارایی بالا که معمولاً در کامپوزیت‌های بالستیک تقویت‌شده با الیاف استفاده می‌شوند شامل فیبر کولار، فیبر کربن، الیاف پلی‌اتیلن فوق‌-پلی‌اتیلن{4}}مولکولی{4}(UHMWPE) و الیاف شیشه است. یک سوال که اغلب در صنعت مطرح می شود این است که آیا فیبر کربن خود را می توان برای حفاظت بالستیک استفاده کرد؟

اصول کار کامپوزیت های بالستیک

هنگامی که یک پرتابه به یک ماده مرکب نفوذ می کند، چندین مکانیسم آسیب به طور همزمان رخ می دهد. اینها شامل لایه لایه شدن، جداسازی الیاف-رزین، شکست کششی الیاف، و تغییر شکل پشتی هستند. در طی این فرآیندها، انرژی جنبشی پرتابه به تدریج کاهش می یابد که منجر به حفاظت بالستیک می شود.

پس از ضربه، امواج تنش در نقطه تماس ایجاد می شود. این امواج به دو صورت عمده پخش می شوند. ابتدا آنها در امتداد محور فیبر حرکت می کنند. الیاف در نقاط تقاطع توسط رزین به هم متصل می شوند. هنگامی که امواج تنش به این نقاط می رسند، به الیاف دیگر منتقل می شوند. این امر ناحیه توزیع تنش را افزایش می دهد و به اتلاف انرژی کمک می کند. دوم، زمانی که امواج تنش به سطح مشترک فیبر-رزین می‌رسند، بازتاب رخ می‌دهد و لایه لایه‌سازی شکل می‌گیرد. این فرآیند انرژی اضافی را جذب می کند.

در کامپوزیت‌های بالستیک تقویت‌شده با الیاف، صفحه ضربه عمدتاً شکست برشی را تجربه می‌کند، در حالی که سطح پشتی عمدتاً دچار شکست کششی می‌شود. به همین دلیل، کامپوزیت های تقویت شده با یک نوع الیاف اغلب نمی توانند به عملکرد بالستیک بهینه دست یابند. با ترکیب الیاف مختلف و طراحی ساختار لایه ای می توان به حفاظت بالستیک بهتری دست یافت.

بررسی اجمالی فیبر کربن

فیبر کربن به الیافی اطلاق می شود که کربن بیش از 90 درصد جرم کل را تشکیل می دهد. از الیاف آلی از طریق واکنش های فاز جامد- تولید می شود و یک ماده کربن پلیمری فیبری را تشکیل می دهد. فیبر کربن به دلیل وزن کم، استحکام بالا، مدول بالا، مقاومت در برابر حرارت، مقاومت در برابر ضربه، پایداری شیمیایی و انبساط حرارتی کم شناخته شده است.

با این حال، فیبر کربن دارای کشیدگی کم در هنگام شکست و چقرمگی محدود است. به همین دلیل به ندرت به تنهایی استفاده می شود و عمدتاً به عنوان یک ماده تقویت کننده در کامپوزیت ها استفاده می شود.

جلیقه‌های بالستیک و سایر زره‌های محافظ به مواد لایه‌ای متکی هستند که می‌توانند انرژی ضربه را جذب و توزیع کنند. این مواد معمولاً دارای استحکام کششی بالایی هستند و می توانند تحت تنش تغییر شکل دهند که به اتلاف انرژی گلوله کمک می کند.

اگرچه فیبر کربن از استحکام بسیار بالایی برخوردار است، اما شکل پذیری ضعیف و توانایی محدودی در جذب و اتلاف انرژی جنبشی دارد. همچنین در اثر ضربه یا بارگذاری مکرر شکننده و مستعد شکستگی است. در نتیجه، کامپوزیت های فیبر کربن ساخته شده تنها با رزین و فیبر کربن برای حفاظت بالستیک موثر نیستند. در عمل، فیبر کربن معمولاً با سایر الیاف-با عملکرد بالا ترکیب می‌شود تا عملکرد بالستیک به دست آید.

اگر فیبر کربن به عنوان ماده توقف{0} اصلی گلوله مناسب نیست، چرا هنوز در برخی از کامپوزیت های بالستیک استفاده می شود؟

فیبر کربن به دلیل استحکام ویژه و دوام بالا ارزش دارد. هنگامی که به عنوان یک جزء تقویت کننده در مواد بالستیک استفاده می شود، به ویژه هنگامی که با کولار یا سایر الیاف بالستیک ترکیب می شود، مقاومت در برابر سوراخ شدن و خرد شدن را بهبود می بخشد. در عین حال، وزن کلی را کاهش می دهد که راحتی پوشیدن و تحرک را افزایش می دهد.

فیبر کربن عمدتاً به روش های زیر کمک می کند:

تقویت سازه:
فیبر کربن یکپارچگی ساختاری را به مواد بالستیک کامپوزیتی اضافه می کند. هنگامی که با کولار یا سایر الیاف بالستیک لایه بندی می شود، به حفظ یکپارچگی مواد پس از ضربه کمک می کند و از توزیع انرژی ضربه پشتیبانی می کند و خطر نفوذ را کاهش می دهد.

کاهش وزن:
کامپوزیت های بالستیک معمولاً برای متوقف کردن پرتابه ها به ساختارهای چند لایه-متکی هستند. چگالی کم فیبر کربن به کاهش وزن کلی کمک می کند و راحتی و انعطاف پذیری را برای کاربر بهبود می بخشد.

فیبر کربن دارای استحکام بالا و وزن کم است، اما به دلیل شکنندگی و توانایی محدود جذب انرژی، به تنهایی بالستیک نیست. سفتی و تمایل به شکستگی آن در اثر ضربه، کارایی آن را در توقف گلوله کاهش می دهد. با این حال، هنگامی که به عنوان بخشی از یک سیستم کامپوزیت استفاده می شود، فیبر کربن می تواند عملکرد بالستیک را پشتیبانی کند. با ترکیب استحکام ساختاری آن با سایر الیافی که انرژی را جذب و دفع می کنند، می توان به حفاظت بالستیک موثر دست یافت.

برخی از مطالب منبع آنلاین؛ لطفاً برای درخواست حذف در صورت وجود با ما تماس بگیرید.