Avec l'application de technologies avancées dans la guerre militaire, la situation des pertes humaines et matérielles devient de plus en plus complexe. Par conséquent, des recherches approfondies et des applications de matériaux pare-balles doivent également être menées. Les blindages en céramique et les matériaux composites renforcés de fibres sont des domaines de recherche et d'application importants. Un aperçu de la nouvelle plaque composite en céramique pare-balles et des matériaux composites pare-balles en aramide est donné, une comparaison entre la nouvelle plaque composite en céramique pare-balles et la plaque pare-balles traditionnelle est effectuée, et ses caractéristiques et certains problèmes qui existent encore dans la recherche et l'application actuelles sont analysés ; le mécanisme pare-balles du matériau composite pare-balles en aramide est réalisé. Décrivez en détail et indiquez les principaux facteurs affectant les performances des matériaux composites balistiques en aramide.
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Nouvelle plaque pare-balles composite en céramique
Les recherches sur les blindages en céramique constituent une part importante du développement et de l'application des matériaux composites pare-balles. L'effet de protection balistique des blindages en céramique est supérieur à celui des blindages en acier ordinaires. Actuellement, les blindages passifs et réactifs sont les plus largement étudiés et appliqués. En termes de mécanisme pare-balles, le matériau de blindage des blindages réactifs génère de l'énergie cinétique après avoir été excité par la balle, et l'énergie cinétique réagit sur la balle, tandis que le blindage passif résiste à l'impact de la balle grâce à ses propres caractéristiques. Aujourd'hui, les États-Unis, la Russie et d'autres pays ont utilisé la céramique et les matériaux composites pour développer des systèmes de blindage avec une meilleure efficacité pondérale, et ont développé un blindage à panneaux en céramique, qui a été largement utilisé.
1.1 Mécanisme pare-balles
Lorsqu'une balle frappe la plaque pare-balles composite en céramique à grande vitesse, le principe de la force d'action et de la force de réaction est utilisé pour la faire pénétrer dans la plaque pare-balles à grande vitesse, puis rebondir à grande vitesse avec la force opposée à l'intérieur, formant un trou de balle approximativement circulaire sur la surface. Cela permet d'atteindre l'objectif de détruire uniquement la surface de la plaque pare-balles sans causer de dommages mortels à l'ensemble de la plaque pare-balles composite, ce qui permet d'obtenir une protection pare-balles.
1.2 Paramètres de performance des nouvelles plaques pare-balles en céramique composite
Les principales caractéristiques des matériaux céramiques sont présentées dans le tableau 1.
Les matériaux céramiques ont une rigidité spécifique élevée, une résistance spécifique élevée et une inertie chimique dans de nombreux environnements. En même temps, leur faible densité, leur dureté élevée et leur résistance à la compression élevée par rapport aux métaux les rendent plus largement utilisés. L'aluminium de haute pureté a une densité plus élevée, une dureté et une ténacité à la rupture inférieures, de sorte que sa résistance élastique est plus faible ; la structure de la céramique au carbure de silicium lui confère une résistance élevée, une dureté élevée, une résistance à l'usure, une résistance à la corrosion, une conductivité thermique élevée et d'autres propriétés ; le diborure de titane a un module d'élasticité élevé ; le carbure de bore a un point de fusion élevé, une excellente dureté et des propriétés mécaniques, et sa densité est la plus faible parmi plusieurs matériaux céramiques couramment utilisés. De plus, le module d'élasticité est élevé, ce qui en fait un choix idéal pour les blindages militaires. et un bon choix de matériaux dans le domaine spatial.
Les principales caractéristiques des matériaux composites sont présentées dans le tableau 2.
En plus d'avoir un certain module, les matériaux composites pare-balles doivent également avoir une bonne élongation, une bonne ténacité à la rupture, une résistance spécifique élevée et être capables de maintenir de bonnes performances sous des taux de déformation. Le verre E a une résistance à la traction élevée mais une ténacité médiocre, tandis que le matériau Kevlar a une faible densité, une résistance élevée, une bonne ténacité, une résistance aux températures élevées et est facile à traiter et à former. Le bore a les caractéristiques d'une faible densité, d'une résistance spécifique élevée et d'un module d'élasticité élevé.
1.3 Caractéristiques des nouveaux matériaux composites en céramique pour plaques pare-balles
Les nouveaux panneaux pare-balles composites en céramique présentent des avantages incomparables par rapport aux panneaux pare-balles traditionnels. Voir le tableau 3 pour des comparaisons spécifiques.
(1) Peut résister à plusieurs impacts de balles.Ce matériau peut résister à l'impact continu de plusieurs balles sur la même surface en même temps sans que l'ensemble ne soit brisé. Il ne formera que des trous de balle approximativement circulaires sur la surface sans affecter l'effet pare-balles des autres parties du matériau.
(2) Il présente une bonne conception structurelle.Les plaques composites en céramique peuvent produire une déformation par flexion à des angles correspondants et peuvent revenir à leur forme d'origine après déformation. Elles peuvent être conçues pour être utilisées dans des matériaux composites en céramique pare-balles sous diverses formes telles que des surfaces planes, courbes et inclinées.
(3) Peut être réparé et réutilisé.Après avoir été touché par une balle, les trous de balle circulaires sur la surface peuvent être remplis de corps pare-balles en céramique et recombinés avec de la colle pare-balles pour retrouver les performances du matériau d'origine.
(4) Haute fiabilité d'utilisation.Ce matériau utilise de manière exhaustive les propriétés balistiques des plaques en céramique haute performance, des plaques UHWMPE et des plaques TC4, ce qui rend la résistance balistique meilleure que celle des matériaux simples et peut bloquer efficacement diverses spécifications de pistolets et de bombes pénétrantes de petit et moyen calibre associées.
(5) La technologie présente une grande maturité et une forte capacité de conception.Ce matériau dispose déjà d'un processus de production assez mature et peut être conçu en fonction des besoins individuels en fonction des besoins réels pour répondre à différents besoins pare-balles.
1.4 Problèmes liés aux matériaux composites pare-balles actuels
Les matériaux composites pare-balles étant composés de matériaux divers, l'inhomogénéité, l'anisotropie, les relations constitutives complexes, les mécanismes de défaillance complexes et les critères de résistance complexes des matériaux composites constituent les principales caractéristiques mécaniques des matériaux composites et de leurs structures, augmentant ainsi la complexité et la difficulté de l'analyse, du calcul, des tests et de la conception des matériaux composites, de leurs structures et de leurs mécanismes de protection. Jusqu'à présent, les matériaux composites pare-balles présentent toujours les problèmes suivants.
(1) Absorption d’énergie insuffisante.L'énergie non absorbée des matériaux pare-balles pendant leur utilisation entraînera des pertes humaines et matérielles, et la puissance destructrice des armes augmentera également avec la modernisation des armes. Par conséquent, les recherches et applications futures devraient se concentrer sur l'amélioration des performances pare-balles et de la sécurité des matériaux dans ce domaine.
(2) Le poids n'est pas assez léger.Le poids des matériaux composites pare-balles est un facteur important pour déterminer s'ils peuvent être promus et utilisés. Par conséquent, le poids des matériaux composites pare-balles doit être réduit autant que possible tout en garantissant une bonne résistance aux balles.
(3) Renforcer et durcir les contradictions.En particulier pour les matériaux composites en céramique pare-balles, cette contradiction est souvent difficile à surmonter. L'ajout de certains matériaux de renforcement aux matériaux composites pare-balles peut réduire la résistance du matériau. Cependant, si la résistance du matériau est augmentée, la ténacité du matériau peut être réduite. Par conséquent, de nombreux tests sont nécessaires pour trouver la résistance et la ténacité les plus adaptées au matériau pare-balles.
(4) Concernant la compatibilité des matériaux composites, y compris les caractéristiques physiques, chimiques, mécaniques et autres, les matériaux composites peuvent intégrer diverses caractéristiques pour offrir une meilleure protection.
De plus, il existe également des problèmes tels que l’interface et le prix, qui n’ont pas été complètement résolus.
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Matériau composite pare-balles en aramide
2.1 Mécanisme pare-balles
Lorsque le matériau pare-balles en fibre est soumis à l'énergie d'impact, il s'étire et se déforme. L'énergie absorbée par la fibre devient le travail nécessaire à sa déformation. Le travail requis pour sa déformation en traction et sa rupture est l'énergie de rupture, également appelée travail de rupture. , l'énergie de rupture de la fibre est liée au nombre de fibres participant à la rupture par déformation en traction. Le paramètre qui mesure les propriétés antibalistiques des fibres est le taux d'absorption d'énergie de la fibre (énergie de rupture par unité de masse de fibre).
Lorsque les matériaux pare-balles en fibre sont impactés par un impact externe, la contrainte longitudinale générée par l'impact se propage rapidement dans toutes les directions dans le matériau fibreux, formant une « onde de choc » (c'est-à-dire une onde sonore). La vitesse du son dans les matériaux pare-balles en fibre affecte la diffusion instantanée de l'énergie, qui détermine la quantité de fibres impliquées dans l'absorption d'énergie, affectant ainsi l'effet pare-balles du matériau. Par conséquent, la vitesse du son dans la fibre est un autre paramètre important qui affecte les performances balistiques de la fibre.
Les fibres des matériaux pare-balles peuvent être de forme droite ou courbe. Si la forme des fibres du matériau est droite, l'énergie se propagera dans la direction axiale de la fibre sans réflexion, et l'énergie se propagera donc loin et rapidement ; si la forme des fibres est courbée, ou si la fibre présente des ruptures, les points de flexion ou les ruptures de la fibre réfléchiront une partie de l'énergie, réduisant ainsi la plage de diffusion instantanée, et l'effet pare-balles du matériau sera également réduit. On peut voir que l'effet pare-balles du tissu bidimensionnel en fibres sera meilleur que celui du tissu à armure toile.
Le transfert d'énergie s'accompagne souvent d'un contact entre fibres au sein d'une même couche ou entre couches. Lors de la transmission de l'énergie d'impact, une réflexion d'énergie se produit au sein des interfaces de tous les matériaux, et les situations sont diverses et complexes. Par conséquent, le chemin de propagation le plus efficace de l'énergie d'impact est la diffusion le long de l'axe de la fibre.
2.2 Principaux facteurs affectant les performances des matériaux composites pare-balles en aramide
Les performances des matériaux composites pare-balles sont principalement affectées par le module et la teneur du matériau de la matrice, les propriétés du matériau fibreux, la méthode de tissage et le processus de la fibre.
2.2.1 Effet du module de résine de la matrice sur les propriétés balistiques des matériaux composites
Étant donné que la résine matricielle à faible module possède de bonnes propriétés d'amortissement et est propice à l'absorption d'énergie, les stratifiés fabriqués à partir de résine matricielle à faible module ont de meilleurs effets pare-balles que la résine matricielle à module élevé.
2.2.2 Effet de la teneur en résine de la matrice sur les propriétés balistiques des matériaux composites
La teneur en résine de la matrice a un impact très important sur les propriétés balistiques des matériaux composites. L'augmentation de la teneur en volume de fibres dans les matériaux composites améliorera les propriétés balistiques, mais si la teneur en volume de fibres est trop élevée, les propriétés balistiques diminueront. Étant donné que la résine de la matrice dans le matériau composite peut transmettre des contraintes dans l'unité structurelle, mais si la teneur en volume de fibres est trop élevée, la teneur en matrice dans le matériau composite sera trop faible, ce qui entraînera une réduction des performances de liaison entre la résine et la fibre et entre la fibre et la fibre, affectant ainsi l'intégrité du stratifié, les propriétés élastiques du matériau composite diminueront également. La teneur en volume de fibres fait référence au pourcentage de volume de fibres dans le tissu par rapport au volume total du tissu, qui peut être converti en densité de surface. La densité de surface est un facteur important pour mesurer l'applicabilité réelle des panneaux pare-balles. Si elle peut répondre aux exigences de protection, la densité de surface doit être aussi faible que possible lors de la conception et de l'application, afin que le coût et le poids puissent être considérablement réduits.
2.2.3 Effet de la densité surfacique du stratifié sur les performances balistiques du stratifié
Les fibres ont tendance à glisser lorsque les projectiles pénètrent dans le stratifié, et certaines fibres ne peuvent pas réduire la pénétration des projectiles. Si la densité surfacique augmente, l'énergie absorbée du stratifié augmente, ce qui indique que sa résistance balistique augmente avec l'augmentation de la densité surfacique. Les performances balistiques du stratifié sans trame sont meilleures que celles du stratifié à armure toile.
2.2.4 Effet de la structure du tissu fibreux sur les propriétés balistiques des stratifiés
Par rapport aux tissus satinés et à armure toile, les tissus bidimensionnels bidimensionnels ont le degré de traitement le plus faible et la plus faible perte de résistance des fibres. Les fibres du tissu seront disposées en parallèle en lignes droites, avec la plus grande valeur de rétention de résistance. Comme il n'y a pas de points de chevauchement direct entre les fibres, le taux de rétrécissement est pratiquement nul, ce qui réduit efficacement la réflexion des ondes de contrainte et évite la concentration de contraintes aux points locaux lors de l'impact des projectiles. Par conséquent, l'énergie d'absorption de rupture du tissu bidimensionnel bidimensionnel est élevée. Comme la structure du tissu bidimensionnel bidimensionnel est lâche, elle est propice à l'absorption d'énergie, ce qui en fait la meilleure performance pare-balles.
2.2.5 Effet du nombre de couches de tissu sur les propriétés balistiques des stratifiés
Les tissus à faible densité de surface ont de meilleures propriétés balistiques. La résistance balistique des matériaux composites est déterminée par les fils tressés utilisés pour les fibres du matériau, le tissage du tissu, le nombre de couches dans chaque couche et la disposition des fibres. Sous un poids donné, plus la tresse est fine et serrée et plus le matériau comporte de couches, meilleures seront les propriétés balistiques du matériau. Lorsque la densité de surface du matériau balistique est constante, des tissus avec plus de couches et une densité de surface unique plus faible doivent être envisagés. Dans le même temps, l'amélioration des performances de la fibre elle-même améliorera également la résistance balistique du matériau.
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Applications et tendances de développement
Les matériaux composites balistiques avancés présentent une résistance spécifique élevée, un module spécifique, une conception et une polyvalence élevées et sont indispensables dans de nombreuses applications militaires. Ils constituent des facteurs de base dans la conception et les technologies clés pour la protection individuelle et les armes et armements avancés. Par conséquent, pour une organisation, si elle peut entrer dans ce domaine de recherche et d'application et devenir un fournisseur qualifié d'un certain type de produit, cela aura une grande importance stratégique en termes d'avantages sociaux et économiques.
Les matériaux composites ont de bonnes performances car ils combinent les avantages respectifs des matériaux de renforcement et des matrices. Ils sont également les matériaux pare-balles les plus prometteurs et à la croissance la plus rapide. Les matériaux pare-balles évoluent progressivement vers la diversification et la composition, et divers nouveaux matériaux pare-balles à haute dureté et haute ténacité sont apparus pour faire face à des problèmes de protection plus complexes. Avec le développement de systèmes de blindage légers et efficaces, les avantages des céramiques pare-balles et des matériaux composites pare-balles renforcés de fibres sont devenus de plus en plus importants. Les nouveaux panneaux pare-balles en céramique composite présentent des avantages incomparables par rapport aux panneaux pare-balles traditionnels, mais les problèmes existants ne peuvent être ignorés, nous nous concentrons donc sur Afin de résoudre les problèmes existants dans les matériaux composites pare-balles, l'optimisation continue des propriétés des matériaux est l'axe de recherche actuel.
