Бронеустойчив механизъм

Стоманените каски разчитат на твърдостта на самата стомана, за да издържат на удари, но стоманеният материал по своята същност е тежък. Бронеустойчивите каски, изработени от стомана, следователно са обемисти, налагайки значителна тежест върху главата и врата на потребителя.

Бронеустойчивият механизъм на композитните материали на базата на смола, подсилени с влакна, е напълно различен. По същество той преобразува кинетичната енергия на високоскоростните снаряди в потенциалната енергия на композитния материал и я абсорбира или разсейва.

От гледна точка на структурата на композитния материал, след като са били подложени на балистичен удар, формите на енергийно поглъщане на композитните материали включват главно три типа: счупване на армировката на влакна, счупване на матрицата от смола и разслояване на повърхността. Когато високоскоростните куршуми ударят материала, влакната на повърхността на удара претърпяват разрушаване при срязване при натиск, докато влакната на противоположната повърхност претърпяват разрушаване при опън. Енергията на удара се разпространява в композитния материал под формата на вълни на напрежение (включително напречни вълни и надлъжни вълни), като надлъжните вълни се разпространяват по оста на влакната. Изследванията са установили, че когато надлъжните вълни достигнат граничната позиция (т.е. пресечната точка на нишките на основата и вътъка на тъканта), част от енергията на удара ще бъде отразена и насложена с оригиналните надлъжни вълни, което ще доведе до увеличаване на енергията на удара в тази позиция, като по този начин инициира счупване на влакното, както е показано на фигура 2.

Еднопосочната (UD) тъкан е композитна тъкан, съдържаща голям брой високоефективни влакна само в една посока. Структурата му е показана на фигура 3.

В този тип тъканна структура няма пресечни точки между нишките на основата и вътъка, което позволява на надлъжните вълни да се разпространяват по-нататък без отражение. Следователно, балистичните характеристики на еднопосочните (UD) тъкани обикновено са по-добри от тези на тъканите с пресечни точки. Триизмерните (3D) тъкани, поради техните структурни характеристики с повече огъване и набръчкване на влакната, показват по-лоши възможности за разпространение на вълната на напрежение и следователно по-ниски балистични характеристики. Въпреки това, някои изследователи твърдят, че наличието на Z-усукани нишки в 3D тъканите осигурява добра структурна цялост, отлична устойчивост на проникване и устойчивост на разслояване, което води до превъзходни балистични характеристики в сравнение с други видове тъкани. Изследванията на балистичните характеристики на 3D платнени композитни материали все още продължават.

Освен структурата на армировката, характеристиките на самите армиращи влакна също оказват значително влияние върху свойствата на композитните материали. Влакната с по-висока якост на опън, модул и плътност позволяват по-бързо разпространение на надлъжни вълни, улеснявайки по-бързото абсорбиране и разсейване на енергията на удара. Следователно, високопроизводителни влакна като арамидни и UHMWPE влакна обикновено се избират като подсилващи влакна за бронирани композитни материали.

Въпросът за счупването на матрицата от смола е свързан предимно с характеристиките на самата матрица. Например, термореактивните смоли имат висока твърдост и крехкост, което ги прави податливи на счупване при удар, докато термопластичните смоли показват добра якост и устойчивост на удар, но са по-податливи на деформация.

В структурите от композитни материали наличието на интерфейси позволява подсилващите влакна и матрицата от смола да образуват цялостен композитен материал, като по този начин показват добри механични свойства. Освен това интерфейсите също играят роля в предаването на напречни вълни на напрежение. Междуфазовото разслояване е друга важна форма на абсорбция на енергия в композитните материали, но силата на свързване на интерфейсите трябва да бъде умерена. Ниската якост на свързване може да доведе до тежко разслояване и приплъзване на влакна, засягайки работата на композитните материали, докато прекомерната якост на свързване може да ограничи ефективното използване на високата якост и модул на влакната и да намали балистичните характеристики на композитния материал чрез ограничаване на обвиването ъгъл на снарядите.