탄도 복합 재료에 탄소 섬유의 응용

탄도 복합 재료는 다양한 형태로 제공되며 다양한 성능 수준을 제공합니다. 그중에서도 섬유-강화 복합재는 가볍고 침투에 대한 저항력이 강한 것이 특징입니다. 이는 오늘날 가장 널리 연구되는 탄도 재료이자 시장에서 가장 빠르게 성장하는 부문이기도 합니다.-

섬유 강화 탄도 복합재에 일반적으로 사용되는-고성능 섬유에는 Kevlar 섬유, 탄소 섬유, 초-고-분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유 및 유리 섬유가 포함됩니다. 업계에서 자주 논의되는 질문 중 하나는 탄소섬유 자체가 탄도 보호에 사용될 수 있는지 여부입니다.

탄도 복합재의 작동 원리

발사체가 복합 재료를 관통하면 여러 가지 손상 메커니즘이 동시에 발생합니다. 여기에는 라미네이트 박리, 섬유-수지 분리, 섬유 인장 파손 및 후면 변형이 포함됩니다. 이러한 과정에서 발사체의 운동 에너지가 점차 감소하여 탄도 보호가 이루어집니다.

충격 후 접촉점에 응력파가 생성됩니다. 이 파도는 크게 두 가지 방식으로 퍼졌습니다. 첫째, 섬유 축을 따라 이동합니다. 섬유는 교차점에서 수지로 결합됩니다. 응력파가 이 지점에 도달하면 다른 섬유로 전달됩니다. 이는 응력 분포 영역을 증가시키고 에너지를 분산시키는 데 도움이 됩니다. 둘째, 응력파가 섬유-수지 경계면에 도달하면 반사가 발생하고 박리가 형성됩니다. 이 과정은 추가 에너지를 흡수합니다.

섬유 강화 탄도 복합재의 경우 타격면은 주로 전단 파손을 겪고 뒷면은 주로 인장 파손을 겪습니다. 이러한 이유로 단일 유형의 섬유로 강화된 복합재는 종종 최적의 탄도 성능을 달성할 수 없습니다. 서로 다른 섬유를 결합하고 계층 구조를 설계함으로써 더 나은 탄도 보호를 달성할 수 있습니다.

탄소섬유 개요

탄소섬유는 탄소가 전체 질량의 90% 이상을 차지하는 섬유를 말한다. 이는 고체-반응을 통해 유기 섬유로부터 생산되며 섬유상 고분자 탄소 재료를 형성합니다. 탄소섬유는 저중량, 고강도, 고탄성률, 내열성, 내충격성, 화학적 안정성, 낮은 열팽창성 등으로 잘 알려져 있습니다.

그러나 탄소섬유는 파단 신율이 낮고 인성이 제한되어 있습니다. 이러한 이유로 단독으로 사용되는 경우는 거의 없으며 주로 복합재료의 보강재로 적용됩니다.

탄도 조끼 및 기타 보호 장갑은 충격 에너지를 흡수하고 분산할 수 있는 적층 소재를 사용합니다. 이러한 재료는 일반적으로 높은 인장 강도를 가지며 응력에 따라 변형될 수 있어 총알의 에너지를 분산시키는 데 도움이 됩니다.

탄소섬유는 강도가 매우 높지만 연성이 낮고 운동에너지를 흡수하고 소산하는 능력이 제한적입니다. 또한 부서지기 쉽고 충격이나 반복적인 하중을 받으면 부서지기 쉽습니다. 결과적으로 수지와 탄소섬유로만 만들어진 탄소섬유복합체는 탄도방호에 효과적이지 못하다. 실제로 탄소 섬유는 일반적으로 탄도 성능을 달성하기 위해 다른 고성능{3}}섬유와 결합됩니다.

탄소 섬유가 주요 탄환 방지 재료로 적합하지 않은 경우-일부 탄도 복합재에 여전히 탄소 섬유가 사용되는 이유는 무엇입니까?

탄소섬유는 높은 비강도와 내구성으로 인해 가치가 높습니다. 탄도 물질의 강화 구성 요소로 사용될 때, 특히 Kevlar 또는 기타 탄도 섬유와 결합될 때 천공 및 파편화에 대한 저항력이 향상됩니다. 동시에 전체적인 무게를 줄여 착용감과 이동성을 향상시킵니다.

탄소 섬유는 주로 다음과 같은 방식으로 기여합니다.

구조적 강화:
탄소 섬유는 복합 탄도 재료에 구조적 무결성을 추가합니다. Kevlar 또는 기타 탄도 섬유와 겹쳐지면 충격 후 재료의 무결성을 유지하고 충격 에너지의 분포를 지원하여 침투 위험을 줄입니다.

무게 감소:
탄도 합성물은 일반적으로 발사체를 중지하기 위해 다{0}}층 구조를 사용합니다. 탄소 섬유의 밀도가 낮기 때문에 전체 무게가 줄어들고 착용자의 편안함과 유연성이 향상됩니다.

탄소 섬유는 높은 강도와 ​​가벼운 무게를 제공하지만 부서지기 쉽고 에너지 흡수 능력이 제한되어 있기 때문에 그 자체로는 탄도가 아닙니다. 그 강성과 충격에 의해 부서지는 경향은 총알을 막는 효과를 감소시킵니다. 그러나 복합 시스템의 일부로 사용될 경우 탄소 섬유는 탄도 성능을 지원할 수 있습니다. 에너지를 흡수하고 분산시키는 다른 섬유와 구조적 강도를 결합함으로써 효과적인 탄도 보호를 달성할 수 있습니다.

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