Forschung zu antiballistischem Material aus Aramidfasern

Derzeit werden weltweit verschiedene neue ballistische Materialien entwickelt und optimiert, um die ballistische Schutzleistung von Fahrzeugen und einzelnen Soldaten zu verbessern. Hochleistungsfähige Faserverbundwerkstoffe zeichnen sich durch geringes Gewicht, hohe Festigkeit und hervorragende ballistische Widerstandsfähigkeit aus. Sie gehören zu den am besten erforschten, am schnellsten wachsenden und vielversprechendsten ballistischen Materialien. Die militärisch entwickelten Länder, vertreten durch die Vereinigten Staaten, widmen der Entwicklung von hochleistungsfähigen antiballistischen Fasern und deren Verbundwerkstoffen besondere Aufmerksamkeit. Nationale verteidigungswissenschaftliche Forschungseinrichtungen wie das US Army Research Laboratory und vom Verteidigungsministerium finanzierte Universitäten haben in den letzten Jahren umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt. Dieser Artikel stellt hauptsächlich die Forschung und Entwicklung, den Anwendungsstand und das Leistungsniveau von Aramidfasern, Kohlenstofffasern und PBO-Fasern im Ausland vor.

Aramidfasern zeichnen sich durch eine hohe spezifische Festigkeit und Bruchdehnung aus. Bei gleicher Oberflächendichte ist die ballistische Widerstandsfähigkeit von Aramid-Harz-Verbundwerkstoffen zwei- bis dreimal so hoch wie die von Glasfaser-Harz-Verbundwerkstoffen. Sie sind vielseitig einsetzbar. Umfassender Ersatz von Glasfaser-Harz-Verbundwerkstoffen.

Institutionen wie das Joint Army Research Laboratory der Clemson University in den USA nutzen die traditionelle Finite-Elemente-Methode zur numerischen Analyse von antiballistischen Fasermatten, um den Durchdringungswiderstand des Materials sowie die allgemeine Durchbiegung, Verformung und Schadensreaktion bei Aufprall zu bestimmen. Die Forscher des Teams haben das Berechnungs- und Analysemodell für den Schutz vor ballistischen Aufprallen und Explosionen für flachgewebte, faserverstärkten Polymermatrix-Verbundstoffe weiter optimiert und verbessert. Im Jahr 2014 wurde die Beziehung zwischen der Mikrostruktur und der Leistung von Materialien auf PPTA-Basis (Poly-p-phenylenterephthalamid) untersucht und eine Berechnungsmethode für mehrere Längenskalen entwickelt, um den Einfluss diverser mikrostruktureller Merkmale auf unterschiedlichen Skalen auf den PPTA-basierten Filz zu bestimmen. Einfluss von Stoff oder PPTA-faserverstärkten Polymermatrix-Verbundstoffen auf die makroskopische ballistische Durchdringungsfestigkeit.

Cassino in Italien und die Universität Südlatium kombinierten Leinwandbindungsfilz mit duroplastischem Harz zu Laminaten und führten mit dem Walker-Modell numerische Vorhersagen und ballistische Leistungstests an der hergestellten Verbundpanzerung durch. Das US Army Research Laboratory und andere verwendeten flache, streifenförmige, transparente Nylon-Monofilamente zur Verstärkung und stellten einen Verbundwerkstoff mit einer Lichtdurchlässigkeit von etwa 40 % her, dessen Matrix ein transparentes Epoxidharz mit entsprechendem Brechungsindex war. Der ballistische Test des Materials ergab einen V50-Wert von über 305 m/s, der deutlich über dem von Epoxidharz und Polycarbonat liegt.

Das Sandia National Laboratory in den USA untersuchte den Einfluss von Verdrillungen auf die Queraufpralleigenschaften von elastischen Fasergarnen und maß die durch den Aufprall verursachte Euler-Scherwellengeschwindigkeit mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Die Ergebnisse zeigen, dass die Euler-Scherwellengeschwindigkeit mit der Anzahl der Verdrillungen im Fasergarn zunimmt, was auf eine höhere ballistische Leistung hindeutet. Deshalb können durch die Verwendung von verdrillten Fasergarnen in ballistischen Fasermatten die ballistischen Eigenschaften des Materials verbessert werden. Die Wirkung von Magnetfeldern auf die ballistischen Eigenschaften von Aramidfasern und Fasern aus ultrahochmolekularem Polyethylen wurde untersucht. Die Forscher legten Aramidfasern und Fasern aus ultrahochmolekularem Polyethylen zwischen zwei Sätze gegenüberliegender Seltenerdmagnete, um die Wirkung der Magnetfeldabstoßung auf die ballistischen Eigenschaften der Materialien zu testen. Die Ergebnisse zeigen, dass die magnetische Abstoßung Geschosse daran hindern kann, in die Vorderseite von Aramidfasern einzudringen.

Die Nanomodifizierung von Aramidfasern oder die Nanofüllung ihrer Verbundwerkstoffe verbessert auch die ballistischen Eigenschaften. Die Forscher erhöhten die Grenzflächenfestigkeit durch vertikale ZnO-Nanodrähte auf der Faseroberfläche. Die Grenzflächenfestigkeit der Faser ist 96,9 % höher als die der blanken Faser, und die Spitzenlast im Auszugstest ist um das 6,5-Fache erhöht. Die ZnO-Nanodrähte verbessern die Auszugsleistung der Fasern, was wiederum den ballistischen Aufprallschutz des Materials erhöht.

Die Forscher untersuchten die Wirkung von Nanopartikelfüllstoffen auf schlagfeste Verbundwerkstoffe und führten V50-Ballistiktests an Faserverbundwerkstoffen durch, die mit gemahlenen Kohlenstofffasern und Nanopartikeln (Kohlenstoffnanoröhren und Kern-Schale-Gummipartikeln) gefüllt waren. Die Ergebnisse zeigen, dass der Nano-Kern-Schale-Gummipartikelfüllstoff aufgrund des Kavitationseffekts die Energieabsorption bei einem Aufprall erhöht und zudem die ballistische Leistung deutlich verbessert. Kohlenstoffnanoröhrenfüllstoffe können die Leistung der Matrix-Faser-Grenzfläche und ebenfalls die ballistische Leistung deutlich verbessern. Beides kann die V50-Antiballistikleistung des Verbundwerkstoffs verbessern. Die Zugabe von 1 % Massenanteil gemahlener Kohlenstofffasern und 1 % Nanopartikel zum Verbundwerkstoff kann den V50-Wert im Vergleich zur Referenzprobe um 7,3 % (Kohlenstoffnanoröhren) bzw. 8 % (Kern-Schale-Gummipartikel) steigern.

Der Elastizitätsmodul von Kohlenstofffasern ist üblicherweise mehr als dreimal so hoch wie der von herkömmlichen Glasfasern, und sie besitzen ein wichtiges Anwendungspotenzial bei der Gewichtsreduzierung militärischer Ausrüstung und der Verbesserung der Überlebenschancen. Im Jahr 2015 entwickelte das Georgia Institute of Technology in den USA ein neues Verfahren zur Herstellung von gelgesponnenen endlosen Kohlenstofffasern auf Basis der Polyacrylnitril (PAN)-Spinntechnologie. Die durchschnittliche Zugfestigkeit der hergestellten PAN-basierten Kohlenstofffasern liegt zwischen 5,5 und 5,8 GPa, der Zugmodul zwischen 354 und 375 GPa und der Zugmodul ist 25 % bis 36 % höher als der der PAN-basierten Kohlenstofffaser vom Typ IM7, die in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet ist. Höchstwertkombination. In Zukunft werden durch die Optimierung von Materialien und Prozessen die Festigkeit und der Modul von PAN-basierten Kohlenstofffasern gleichzeitig verbessert.

PBO-Fasern wurden ursprünglich von der US Air Force entwickelt und später von japanischen Unternehmen hergestellt. PBO-Fasern gelten als zukünftige Ultrahochleistungsfasern, die Aramidfasern ersetzen können. Diese Fasern haben eine geringere Dichte als Aramidfasern, sind aber in ihren mechanischen Eigenschaften und ihrer Umweltbeständigkeit anderen Aramidfasern deutlich überlegen.

Im Jahr 2006 unterzeichnete die University of California einen Vertrag mit der US Army zur Durchführung ballistischer Tests zur Bestimmung der ballistischen Leistung von Zylon-Fasern. Die Ergebnisse zeigten, dass Zylon-Fasern eine bessere Leistung als Kevlar29 aufweisen und beim Einsatz in Panzerungen Schutzleistung und Mobilität wirksam verbessern. Obwohl PBO-Fasern die Vorteile von geringem Gewicht, hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul bieten, unterliegen sie bei Schutzanwendungen einer gewissen Verschlechterung ihrer mechanischen Eigenschaften. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher ein Nachbehandlungsverfahren mit überkritischem CO2-Diffusion chemischer Reagenzien zur Behandlung von PBO-Fasern, um den Rückgang ihrer mechanischen Eigenschaften zu verringern und ihre Lebensdauer zu verlängern. Forscher der University of Massachusetts Amherst untersuchten die Stabilisierung von PBO-Fasern nach der Nachbehandlung mit überkritischem CO2. Dabei verwendeten sie überkritisches CO2 als Extraktionsmittel, um die restliche Phosphorsäure und das Wasser auf den PBO-Fasern zu extrahieren, und nutzten es als Medium zur Einführung verschiedener Substanzen, um die Phosphorsäure zu neutralisieren und den abbauenden Effekt von Wasser und Säure auf die PBO-Faser abzuschwächen.

Die Laminierung ballistischer Fasern kann zu Leistungseinbußen führen. Die Forscher untersuchten den Einfluss der Faltung auf die Leistungseinbuße ballistischer PBO-Fasern und ermittelten experimentell den Einfluss dieses Versagensmechanismus auf die Panzerungsschutzleistung. Darüber hinaus untersuchten sie die Auswirkungen der Faltung auf die innere Struktur der elastischen Fasern. Japanische Forscher haben umfangreiche Forschungen zu PBO-Fasern durchgeführt. Beispielsweise untersuchten sie die Wärmebehandlung zur Verbesserung der Zug- und Dauerfestigkeit von hochmoduligen PBO-Fasern und den Einfluss der Schergeschwindigkeit auf die Zugfestigkeit hochmoduliger PBO-Fasern.