Nghiên cứu vật liệu chống đạn bằng sợi aramid

Hiện nay, các quốc gia trên thế giới đang không ngừng phát triển và tối ưu hóa nhiều loại vật liệu đạn đạo mới để nâng cao hiệu suất bảo vệ đạn đạo của xe cộ và binh lính. Vật liệu composite sợi hiệu suất cao có đặc điểm là trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng chống đạn đạo tuyệt vời. Chúng là những vật liệu đạn đạo được nghiên cứu nhiều nhất, phát triển nhanh nhất và có triển vọng nhất. Các quốc gia phát triển quân sự, đại diện là Hoa Kỳ, đặc biệt chú trọng đến việc phát triển các loại sợi chống đạn đạo hiệu suất cao và vật liệu composite của chúng. Các viện nghiên cứu khoa học quốc phòng như Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Lục quân Hoa Kỳ và các trường đại học do Bộ Quốc phòng tài trợ đã thực hiện rất nhiều công trình nghiên cứu trong những năm gần đây. Bài viết này chủ yếu giới thiệu về nghiên cứu và phát triển, tình hình ứng dụng và mức độ hiệu suất của sợi aramid, sợi carbon và sợi PBO ở nước ngoài.

Sợi aramid có đặc tính cường độ riêng cao và độ giãn dài khi đứt lớn. Dưới cùng mật độ bề mặt, khả năng chống đạn của vật liệu composite aramid/nhựa cao gấp 2 đến 3 lần so với vật liệu composite sợi thủy tinh/nhựa. Nó có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Thay thế toàn diện cho vật liệu composite sợi thủy tinh/nhựa.

Các tổ chức như Phòng thí nghiệm nghiên cứu quân đội chung của Đại học Clemson tại Hoa Kỳ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống để tiến hành phân tích số của tấm sợi chống đạn đạo nhằm xác định khả năng chống xuyên thủng của vật liệu và độ võng, biến dạng và phản ứng hư hỏng tổng thể khi va chạm. Các nhà nghiên cứu của nhóm đã tối ưu hóa và nâng cấp hơn nữa mô hình tính toán và phân tích bảo vệ chống va đập/nổ đạn đạo của vật liệu composite nền polyme gia cường sợi dệt phẳng. Năm 2014, mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô và hiệu suất của vật liệu nền PPTA (poly-p-phenylene terephthalamide) đã được nghiên cứu và phương pháp tính toán thang đo đa chiều dài đã được phát triển để xác định tác động của các đặc điểm cấu trúc vi mô khác nhau ở các thang đo khác nhau trên lớp nỉ nền PPTA. Ảnh hưởng của vật liệu composite nền polyme gia cường sợi vải hoặc PPTA lên khả năng chống xuyên thủng đạn đạo ở cấp độ vĩ mô.

Cassino ở Ý và Đại học Nam Lazio đã kết hợp nỉ dệt trơn với nhựa nhiệt rắn để chế tạo vật liệu nhiều lớp, và tiến hành dự đoán mô hình số Walker và thử nghiệm hiệu suất đạn đạo trên lớp giáp composite đã chế tạo. Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ và cộng sự đã sử dụng sợi monofilament nylon trong suốt dạng dải phẳng làm vật liệu gia cố, và chế tạo vật liệu composite có độ truyền sáng khoảng 40% với nhựa epoxy trong suốt có chiết suất tương đương làm nền. Thử nghiệm đạn đạo của vật liệu cho thấy giá trị V50 của vật liệu thu được lớn hơn 305m/s, cao hơn nhiều so với nhựa epoxy và polycarbonate.

Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia của Hoa Kỳ đã nghiên cứu ảnh hưởng của xoắn lên các đặc tính va chạm ngang của sợi đàn hồi và đo vận tốc sóng cắt Euler gây ra bởi va chạm bằng camera tốc độ cao. Kết quả cho thấy vận tốc sóng cắt Euler tăng theo số vòng xoắn trong sợi, ngụ ý hiệu suất đạn đạo cao hơn. Do đó, việc sử dụng sợi xoắn trong thảm sợi đạn đạo có thể cải thiện các đặc tính đạn đạo của vật liệu. Tác động của từ trường lên các đặc tính đạn đạo của sợi aramid và sợi polyethylene có trọng lượng phân tử cực cao đã được nghiên cứu. Các nhà nghiên cứu đã kẹp sợi aramid và sợi polyethylene có trọng lượng phân tử cực cao giữa hai bộ nam châm đất hiếm đối diện để kiểm tra tác động của lực đẩy từ trường lên các đặc tính đạn đạo của vật liệu. Kết quả cho thấy lực đẩy từ trường có thể ngăn chặn đạn đi vào mặt trước của sợi aramid.

Việc biến tính nano sợi aramid hoặc phủ nano vật liệu composite của chúng cũng sẽ cải thiện các đặc tính chống đạn. Các nhà nghiên cứu đã tăng cường độ bền giao diện bằng cách phát triển các sợi nano ZnO thẳng đứng trên bề mặt sợi. Độ bền giao diện của sợi cao hơn 96,9% so với sợi trần, và tải trọng cực đại của thử nghiệm kéo ra tăng 6,5 lần. Các sợi nano ZnO cải thiện hiệu suất kéo ra của sợi, từ đó cũng tăng mức độ bảo vệ chống đạn của vật liệu.

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu tác động của chất độn hạt nano lên vật liệu composite chống va đập và tiến hành thử nghiệm đạn đạo V50 trên vật liệu composite sợi chứa sợi carbon nghiền và hạt nano (ống nano carbon và hạt cao su lõi-vỏ). Kết quả cho thấy chất độn hạt cao su lõi-vỏ nano có hiệu quả hấp thụ năng lượng trong quá trình va chạm nhờ hiệu ứng tạo lỗ rỗng, đồng thời cải thiện đáng kể hiệu suất đạn đạo. Chất độn ống nano carbon có thể cải thiện hiệu suất giao diện ma trận-sợi và cũng cải thiện đáng kể hiệu suất đạn đạo. Cả hai có thể nâng cao hiệu suất chống đạn đạo V50 của vật liệu composite. Thêm 1% khối lượng sợi carbon nghiền và thêm 1% hạt nano vào vật liệu composite có thể làm tăng V50 lần lượt là 7,3% (ống nano carbon) và 8% (hạt cao su lõi-vỏ) so với mẫu tham chiếu.

Mô đun Young của sợi carbon thường cao hơn ba lần so với sợi thủy tinh truyền thống và có tiềm năng ứng dụng quan trọng trong việc làm nhẹ thiết bị quân sự và cải thiện khả năng sống sót. Năm 2015, Viện Công nghệ Georgia tại Hoa Kỳ đã phát triển một quy trình mới để chế tạo sợi carbon liên tục kéo gel dựa trên công nghệ kéo sợi polyacrylonitrile (PAN). Độ bền kéo trung bình của sợi carbon gốc PAN đã chế tạo nằm trong khoảng từ 5,5 đến 5,8 GPa. , mô đun kéo nằm trong khoảng từ 354 đến 375 GPa và mô đun kéo cao hơn từ 25% đến 36% so với sợi carbon gốc PAN loại IM7 được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ. sự kết hợp có giá trị cao nhất. Trong tương lai, bằng cách tối ưu hóa vật liệu và quy trình, độ bền và mô đun của sợi carbon gốc PAN sẽ được cải thiện đồng thời.

Sợi PBO ban đầu được Không quân Hoa Kỳ phát triển, và sau đó được các công ty Nhật Bản sản xuất. Sợi PBO được biết đến là loại sợi hiệu suất cực cao trong tương lai, có thể thay thế sợi aramid. Loại sợi này có mật độ thấp hơn sợi aramid, nhưng tính chất cơ học và khả năng chống chịu môi trường của nó vượt trội hơn hẳn các loại sợi aramid khác.

Năm 2006, Đại học California đã ký hợp đồng với Quân đội Hoa Kỳ để tiến hành các thử nghiệm đạn đạo nhằm xác định hiệu suất đạn đạo của sợi Zylon. Kết quả cho thấy sợi Zylon có hiệu suất tốt hơn Kevlar29 và khi được sử dụng trong áo giáp, nó sẽ tăng cường hiệu suất bảo vệ và khả năng cơ động một cách hiệu quả. Mặc dù sợi PBO có ưu điểm là trọng lượng nhẹ, độ bền cao và mô đun đàn hồi cao, nhưng chúng bị hạn chế bởi sự suy giảm các đặc tính cơ học trong quá trình sử dụng trong các ứng dụng bảo vệ. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một quy trình xử lý sau bằng cách khuếch tán thuốc thử hóa học CO2 siêu tới hạn để xử lý sợi PBO, nhằm giảm tốc độ suy giảm các đặc tính cơ học của sợi và kéo dài tuổi thọ sử dụng. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Massachusetts Amherst đã nghiên cứu quá trình ổn định sợi PBO sau khi xử lý sau bằng CO2 siêu tới hạn, sử dụng CO2 siêu tới hạn làm chất chiết xuất để chiết xuất axit photphoric và nước còn sót lại trên sợi PBO, và sử dụng nó làm môi trường để đưa vào nhiều chất trung hòa axit photphoric và làm suy yếu tác động phân hủy của nước và axit lên sợi PBO.

Sự chồng lớp của sợi đạn đạo có thể là một yếu tố làm giảm hiệu suất. Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc gấp nếp lên sự suy giảm hiệu suất của sợi PBO đạn đạo và xác định bằng thực nghiệm tác động của cơ chế hỏng hóc này lên hiệu suất bảo vệ của áo giáp. Họ cũng nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của việc gấp nếp lên cấu trúc bên trong của sợi đàn hồi. Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu về sợi PBO. Ví dụ, họ đã nghiên cứu phương pháp xử lý nhiệt để cải thiện độ bền kéo và độ bền mỏi của sợi PBO mô đun cao, và nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ cắt lên độ bền kéo của sợi PBO mô đun cao.