Penelitian tentang bahan anti-balistik serat aramid

Saat ini, berbagai negara di dunia terus mengembangkan dan mengoptimalkan berbagai material balistik baru untuk meningkatkan kinerja perlindungan balistik kendaraan dan prajurit. Material komposit serat berkinerja tinggi memiliki karakteristik ringan, kekuatan tinggi, dan ketahanan balistik yang sangat baik. Material ini merupakan material balistik yang paling banyak diteliti, paling cepat berkembang, dan paling menjanjikan. Negara-negara maju di bidang militer, termasuk Amerika Serikat, menaruh perhatian khusus pada pengembangan serat anti-balistik berkinerja tinggi dan material kompositnya. Lembaga penelitian ilmiah pertahanan nasional seperti Laboratorium Penelitian Angkatan Darat AS dan universitas yang didanai oleh Kementerian Pertahanan telah melakukan banyak penelitian dalam beberapa tahun terakhir. Artikel ini terutama memperkenalkan penelitian dan pengembangan, status aplikasi, dan tingkat kinerja serat aramid, serat karbon, dan serat PBO di luar negeri.

Serat aramid memiliki karakteristik kekuatan spesifik yang tinggi dan perpanjangan putus yang tinggi. Pada kepadatan permukaan yang sama, ketahanan balistik komposit aramid/resin adalah 2 hingga 3 kali lipat dari komposit serat kaca/resin. Serat aramid dapat digunakan di berbagai bidang. Pengganti yang komprehensif untuk komposit serat kaca/resin.

Lembaga seperti Laboratorium Penelitian Angkatan Darat Gabungan Universitas Clemson di Amerika Serikat menggunakan metode elemen hingga tradisional untuk melakukan analisis numerik dari tikar serat anti-balistik untuk menentukan ketahanan penetrasi material dan keseluruhan defleksi, deformasi, dan respons kerusakan terhadap benturan. Para peneliti tim telah lebih mengoptimalkan dan meningkatkan perhitungan dan model analisis perlindungan benturan/ledakan balistik dari komposit matriks polimer yang diperkuat serat tenunan datar. Pada tahun 2014, hubungan antara struktur mikro dan kinerja material berbasis PPTA (poli-p-fenilena tereftalamida) dipelajari, dan metode perhitungan skala multi-panjang dikembangkan untuk menentukan dampak dari berbagai fitur struktur mikro pada skala yang berbeda pada kain felt berbasis PPTA. Efek kain atau komposit matriks polimer yang diperkuat serat PPTA pada ketahanan penetrasi balistik makroskopis.

Cassino di Italia dan Universitas Lazio Selatan menggabungkan kain felt tenun polos dengan resin termoset untuk membuat laminasi, dan melakukan prediksi model numerik Walker serta uji kinerja balistik pada lapis baja komposit yang telah disiapkan. Laboratorium Penelitian Angkatan Darat AS dkk. menggunakan monofilamen nilon transparan berbentuk strip datar sebagai penguat, dan menyiapkan material komposit dengan transmitansi cahaya sekitar 40% dengan resin epoksi transparan yang sesuai dengan indeks biasnya sebagai matriks. Uji balistik material menunjukkan bahwa nilai V50 dari material yang diperoleh lebih besar dari 305 m/s, yang jauh lebih tinggi daripada resin epoksi dan polikarbonat.

Laboratorium Nasional Sandia Amerika Serikat mempelajari pengaruh puntiran pada sifat impak transversal benang serat elastis, dan mengukur kecepatan gelombang geser Euler yang disebabkan oleh impak dengan kamera kecepatan tinggi. Hasilnya menunjukkan bahwa kecepatan gelombang geser Euler meningkat dengan jumlah puntiran pada benang serat, menyiratkan kinerja balistik yang lebih tinggi. Oleh karena itu, penggunaan benang serat yang dipilin dalam tikar serat balistik dapat meningkatkan sifat balistik material. Efek medan magnet pada sifat balistik serat aramid dan serat polietilena dengan berat molekul ultra tinggi dipelajari. Para peneliti menjepit serat aramid dan serat polietilena dengan berat molekul ultra tinggi di antara dua set magnet tanah jarang yang berlawanan untuk menguji efek tolakan medan magnet pada sifat balistik material. Hasilnya menunjukkan bahwa tolakan magnet dapat menghambat peluru memasuki panel depan serat aramid.

Nanomodifikasi serat aramid atau nanofilling kompositnya juga akan meningkatkan sifat balistik. Para peneliti meningkatkan kekuatan antarmuka dengan menumbuhkan nanokawat ZnO vertikal pada permukaan serat. Kekuatan antarmuka serat 96,9% lebih tinggi daripada serat polos, dan beban puncak uji tarik meningkat 6,5 kali lipat. Nanokawat ZnO meningkatkan kinerja tarik serat, yang pada gilirannya juga meningkatkan tingkat perlindungan material terhadap benturan balistik.

Para peneliti mempelajari efek pengisi nanopartikel pada komposit tahan benturan, dan melakukan uji balistik V50 pada komposit serat yang diisi dengan serat karbon giling dan nanopartikel (karbon nanotube dan partikel karet inti-cangkang). Hasilnya menunjukkan bahwa pengisi partikel karet inti-cangkang nano efektif untuk penyerapan energi selama benturan karena efek kavitasi, dan juga secara signifikan meningkatkan kinerja balistik. Pengisi karbon nanotube dapat meningkatkan kinerja antarmuka matriks-serat, dan juga secara signifikan meningkatkan kinerja balistik. Keduanya dapat meningkatkan kinerja anti-balistik V50 dari bahan komposit. Menambahkan 1% fraksi massa serat karbon giling dan menambahkan 1% nanopartikel ke bahan komposit dapat meningkatkan V50 sebesar 7,3% (karbon nanotube) dan 8% (partikel karet inti-cangkang) relatif terhadap sampel referensi, masing-masing.

Modulus Young serat karbon biasanya lebih dari tiga kali lipat serat kaca tradisional, dan memiliki potensi aplikasi penting dalam meringankan peralatan militer dan meningkatkan kemampuan bertahan hidup. Pada tahun 2015, Institut Teknologi Georgia di Amerika Serikat mengembangkan proses baru untuk persiapan serat karbon kontinu gel-spun berdasarkan teknologi pemintalan poliakrilonitril (PAN). Kekuatan tarik rata-rata serat karbon berbasis PAN yang disiapkan adalah antara 5,5 dan 5,8 GPa. , modulus tariknya antara 354 dan 375 GPa, dan modulus tariknya 25% hingga 36% lebih tinggi daripada serat karbon berbasis PAN tipe IM7 yang banyak digunakan dalam kedirgantaraan. Kombinasi nilai tertinggi. Di masa depan, dengan mengoptimalkan bahan dan proses, kekuatan dan modulus serat karbon berbasis PAN akan ditingkatkan secara bersamaan.

Serat PBO awalnya dikembangkan oleh Angkatan Udara AS, dan kemudian produk-produknya diproduksi oleh perusahaan-perusahaan Jepang. Serat PBO dikenal sebagai serat berkinerja ultra-tinggi masa depan yang dapat menggantikan serat aramid. Serat ini memiliki kepadatan lebih rendah daripada serat aramid, tetapi sifat mekanis dan ketahanan lingkungannya jauh lebih unggul daripada serat aramid lainnya.

Pada tahun 2006, Universitas California menandatangani kontrak dengan Angkatan Darat AS untuk melakukan uji balistik guna menentukan kinerja balistik serat Zylon. Hasilnya menunjukkan bahwa serat Zylon memiliki kinerja yang lebih baik daripada Kevlar29, dan ketika digunakan dalam baju besi, serat ini akan secara efektif meningkatkan kinerja perlindungan dan mobilitas. Meskipun serat PBO memiliki keunggulan ringan, kekuatan tinggi, dan modulus tinggi, serat ini dibatasi oleh degradasi sifat mekanis selama penggunaan dalam aplikasi perlindungan. Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti mengembangkan proses pasca-perlakuan difusi reagen kimia CO2 superkritis untuk mengolah serat PBO, sehingga dapat mengurangi laju penurunan sifat mekanisnya dan memperpanjang masa pakainya. Para peneliti dari Universitas Massachusetts Amherst mempelajari stabilisasi serat PBO setelah perlakuan pasca-perlakuan CO2 superkritis, menggunakan CO2 superkritis sebagai ekstraktan untuk mengekstraksi sisa asam fosfat dan air pada serat PBO, dan menggunakannya sebagai media untuk memasukkan berbagai macam zat. Zat tersebut menetralkan asam fosfat dan melemahkan efek degradasi air dan asam pada serat PBO.

Laminasi serat balistik dapat menjadi faktor penurunan kinerja. Para peneliti menyelidiki pengaruh pelipatan terhadap penurunan kinerja serat PBO balistik, dan menentukan secara eksperimental dampak mekanisme kegagalan ini terhadap kinerja pelindung lapis baja. Mereka juga menyelidiki lebih lanjut pengaruh pelipatan terhadap struktur internal serat elastis. Para peneliti Jepang telah melakukan banyak penelitian tentang serat PBO. Misalnya, mereka telah mempelajari perlakuan panas untuk meningkatkan kekuatan tarik dan fatik serat PBO modulus tinggi, dan mempelajari pengaruh laju geser terhadap kekuatan tarik serat PBO modulus tinggi.