مع تطبيق التكنولوجيا المتقدمة في الحرب العسكرية، أصبح وضع الخسائر البشرية والممتلكات أكثر تعقيدًا. ولذلك، ينبغي أيضا إجراء بحث متعمق وتطبيق المواد المضادة للرصاص. تعتبر الدروع الخزفية والمواد المركبة المقواة بالألياف من اتجاهات البحث والتطبيق المهمة. يتم تقديم نظرة عامة على لوحة السيراميك المركبة المضادة للرصاص الجديدة والمواد المركبة المضادة للرصاص الأراميد، ويتم إجراء مقارنة بين لوحة السيراميك المركبة الجديدة المضادة للرصاص واللوحة التقليدية المضادة للرصاص، وخصائصها وبعض المشاكل التي لا تزال موجودة في البحث والتطبيق الحالي هي تحليلها؛ يتم تنفيذ آلية مقاومة الرصاص للمادة المركبة الأراميد المضادة للرصاص. وصف بالتفصيل والإشارة إلى العوامل الرئيسية التي تؤثر على أداء المواد المركبة الباليستية الأراميد.
01
لوح سيراميك مركب جديد مضاد للرصاص
يعد البحث عن الدروع الخزفية جزءًا مهمًا من تطوير وتطبيق المواد المركبة المضادة للرصاص. إن تأثير الحماية الباليستية للدروع الخزفية يتفوق على تأثير الدروع الفولاذية العادية. في الوقت الحالي، تعد الدروع السلبية والدروع التفاعلية هي الأكثر بحثًا وتطبيقًا على نطاق واسع. ومن حيث آلية مقاومة الرصاص، فإن مادة الدرع في الدرع التفاعلي ستولد طاقة حركية بعد استثارتها بالرصاصة، وتتفاعل الطاقة الحركية على الرصاصة، بينما يقاوم الدرع السلبي تأثير الرصاصة من خلال خصائصه الخاصة. اليوم، استخدمت الولايات المتحدة وروسيا ودول أخرى السيراميك والمواد المركبة لتطوير أنظمة دروع ذات كفاءة أفضل في الوزن، وطورت دروعًا من الألواح الخزفية، والتي تم استخدامها على نطاق واسع.
1.1 آلية مضادة للرصاص
عندما تصطدم رصاصة بلوحة السيراميك المركبة المضادة للرصاص بسرعة عالية، يتم استخدام مبدأ قوة الفعل وقوة رد الفعل لجعلها تدخل إلى اللوحة المضادة للرصاص بسرعة عالية ثم ترتد بسرعة عالية مع القوة المعاكسة بالداخل، لتشكل تقريبًا ثقب رصاصة دائري على السطح. إنه يحقق الغرض المتمثل في تدمير سطح اللوحة المضادة للرصاص فقط دون التسبب في أضرار مميتة للوحة المضادة للرصاص الشاملة، وبالتالي تحقيق الحماية من الرصاص.
1.2 معلمات الأداء للألواح الخزفية المضادة للرصاص الجديدة
يتم عرض الخصائص الرئيسية للمواد الخزفية في الجدول 1.
تتميز المواد الخزفية بصلابة نوعية عالية وقوة نوعية عالية وخمول كيميائي في العديد من البيئات. وفي الوقت نفسه، فإن كثافتها المنخفضة وصلابتها العالية وقوة الضغط العالية مقارنة بالمعادن تجعلها تستخدم على نطاق أوسع. الألومنيوم عالي النقاء لديه كثافة أعلى، وصلابة أقل وصلابة للكسر، وبالتالي فإن مقاومته المرنة أقل؛ هيكل سيراميك كربيد السيليكون يجعله يتمتع بقوة عالية، وصلابة عالية، ومقاومة التآكل، ومقاومة التآكل، والموصلية الحرارية العالية وخصائص أخرى؛ يحتوي ثنائي بوريد التيتانيوم على معامل مرونة عالي؛ يتمتع كربيد البورون بنقطة انصهار عالية، وصلابة ممتازة وخصائص ميكانيكية، وكثافته هي الأقل بين العديد من المواد الخزفية شائعة الاستخدام. بالإضافة إلى ذلك، فإن معامل المرونة مرتفع، مما يجعله خيارًا مثاليًا للدروع العسكرية. واختيار جيد للمواد في مجال الفضاء.
يتم عرض الخصائص الرئيسية للمواد المركبة في الجدول 2.
بالإضافة إلى وجود معامل معين، يجب أن تتمتع المواد المركبة المقاومة للرصاص أيضًا باستطالة جيدة وصلابة للكسر وقوة نوعية عالية وتكون قادرة على الحفاظ على الأداء الجيد تحت معدلات الإجهاد. يتمتع الزجاج الإلكتروني بقوة شد عالية ولكن صلابته ضعيفة، بينما تتميز مادة الكيفلار بكثافة منخفضة وقوة عالية وصلابة جيدة ومقاومة لدرجات الحرارة العالية، كما أنها سهلة المعالجة والتشكيل. يتميز البورون بخصائص الكثافة المنخفضة والقوة النوعية العالية ومعامل المرونة العالي.
1.3 خصائص مواد الألواح الخزفية المضادة للرصاص الجديدة
تتمتع الألواح الخزفية المركبة الجديدة المضادة للرصاص بمزايا لا تضاهى مقارنة بالألواح التقليدية المضادة للرصاص. انظر الجدول 3 لإجراء مقارنات محددة.
(1) يمكن أن يتحمل ضربات الرصاص المتعددة.يمكن لهذه المادة أن تتحمل التأثير المستمر لرصاصات متعددة على نفس السطح في نفس الوقت دون أن ينكسر الجزء بأكمله. سوف يشكل فقط ثقوب رصاص دائرية تقريبًا على السطح دون التأثير على التأثير المضاد للرصاص للأجزاء الأخرى من المادة.
(2) لديها تصميم هيكلي جيد.يمكن لألواح السيراميك المركبة أن تنتج تشوهًا منحنيًا في الزوايا المقابلة، ويمكن أن تعود إلى شكلها الأصلي بعد التشوه. يمكن تصميمها على شكل مواد سيراميكية مركبة مضادة للرصاص بأشكال مختلفة مثل الأسطح المسطحة والمنحنية والمائلة.
(3) يمكن إصلاحه وإعادة استخدامه.بعد الإصابة برصاصة، يمكن ملء ثقوب الرصاص الدائرية الموجودة على السطح بأجسام سيراميكية مضادة للرصاص وإعادة دمجها مع غراء مضاد للرصاص لاستعادة أداء المادة الأصلية.
(4) موثوقية عالية في الاستخدام.تستخدم هذه المادة بشكل شامل الخصائص الباليستية لألواح السيراميك عالية الأداء وألواح UHWMPE وألواح TC4، مما يجعل المقاومة الباليستية أفضل من مقاومة المواد المفردة، ويمكنها حجب المواصفات المختلفة للمسدسات والقنابل ذات الاختراق الصغيرة والمتوسطة ذات الصلة بشكل فعال.
(5) تتمتع التكنولوجيا بنضج عالٍ وتصميم قوي.هذه المواد لديها بالفعل عملية إنتاج ناضجة إلى حد ما ويمكن تصميمها وفقًا للاحتياجات الفردية وفقًا للاحتياجات الفعلية لتلبية الاحتياجات المختلفة المضادة للرصاص.
1.4 مشاكل المواد المركبة المضادة للرصاص الحالية
نظرًا لأن المواد المركبة المضادة للرصاص تتكون من مجموعة متنوعة من المواد، فإن عدم التجانس، وتباين الخواص، والعلاقات التأسيسية المعقدة، وآليات الفشل المعقدة، ومعايير القوة المعقدة للمواد المركبة هي الآليات الرئيسية للمواد المركبة وهياكلها. الخصائص، مما يزيد من تعقيد وصعوبة تحليل وحساب واختبار وتصميم المواد المركبة وهياكلها وآليات الحماية. حتى الآن، لا تزال المواد المركبة المضادة للرصاص تعاني من المشاكل التالية.
(1) عدم كفاية امتصاص الطاقة.ستتسبب الطاقة غير الممتصة للمواد المضادة للرصاص أثناء الاستخدام في خسائر في الأفراد والممتلكات، كما ستزداد القوة التدميرية للأسلحة مع ترقية الأسلحة. لذلك، يجب أن تركز الأبحاث والتطبيقات المستقبلية على تحسين الأداء المضاد للرصاص وسلامة المواد في هذا الجانب. .
(2) الوزن ليس خفيفا بما فيه الكفاية.يعد وزن المواد المركبة المضادة للرصاص عاملاً مهمًا في إمكانية الترويج لها واستخدامها. لذلك، يجب تقليل وزن المواد المركبة المضادة للرصاص قدر الإمكان مع ضمان مقاومة جيدة للرصاص.
(3) تقوية التناقضات وتشديدها.غالبًا ما يكون من الصعب التغلب على هذا التناقض، خاصة بالنسبة للمواد المركبة الخزفية المضادة للرصاص. قد تؤدي إضافة مواد تقوية معينة إلى المواد المركبة المقاومة للصواريخ الباليستية إلى تقليل قوة المادة. ومع ذلك، إذا زادت قوة المادة، فقد تنخفض صلابة المادة. لذلك، هناك حاجة إلى العديد من الاختبارات للعثور على القوة والمتانة الأكثر ملاءمة للمادة المضادة للصواريخ الباليستية. .
(4) فيما يتعلق بتوافق المواد المركبة، بما في ذلك الخصائص الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية وغيرها من الخصائص المادية، يمكن للمواد المركبة دمج خصائص مختلفة لتوفير حماية أفضل.
بالإضافة إلى ذلك، هناك أيضًا مشكلات مثل الواجهة والسعر، والتي لم يتم حلها بالكامل.
02
الأراميد مادة مركبة مضادة للرصاص
2.1 آلية مضادة للرصاص
عندما تتعرض مادة الألياف المضادة للرصاص لطاقة التصادم، فإنها سوف تتمدد وتتشوه. ستصبح الطاقة التي يمتصها الألياف هي العمل المطلوب لتشوهه. الشغل المطلوب لتشوه الشد والكسر هو طاقة الكسر، والمعروفة أيضًا باسم عمل الكسر. ، ترتبط طاقة كسر الألياف بعدد الألياف المشاركة في كسر تشوه الشد. المعلمة التي تقيس الخصائص المضادة للبالستية للألياف هي معدل امتصاص الطاقة للألياف (كسر الطاقة لكل وحدة كتلة من الألياف).
عندما تتأثر مواد الألياف المضادة للرصاص بتأثير خارجي، فإن الضغط الطولي الناتج عن التأثير سوف ينتشر بسرعة في جميع الاتجاهات في مادة الألياف، مما يشكل "موجة صدمية" (أي موجة صوتية). ستؤثر سرعة الصوت في مواد الألياف المضادة للرصاص على الانتشار اللحظي للطاقة، مما يحدد كمية الألياف المشاركة في امتصاص الطاقة، وبالتالي يؤثر على التأثير المضاد للرصاص للمادة. لذلك، تعد سرعة الصوت في الألياف معلمة مهمة أخرى تؤثر على الأداء الباليستي للألياف.
أشكال الألياف في المواد المضادة للرصاص تشمل المستقيمة والمنحنية. إذا كان شكل ألياف المادة مستقيمًا، فسوف تنتشر الطاقة على طول الاتجاه المحوري للألياف دون انعكاس، وبالتالي ستنتشر الطاقة بعيدًا وبسرعة؛ إذا كان شكل الألياف منحنيًا، أو الألياف إذا كانت هناك فواصل في الألياف، فإن نقاط الانحناء أو الفواصل في الألياف ستعكس جزءًا من الطاقة، مما يقلل من نطاق الانتشار اللحظي، كما سيتم تقليل التأثير المضاد للرصاص للمادة . يمكن ملاحظة أن التأثير المضاد للرصاص لقماش الألياف ثنائي الأبعاد سيكون أفضل من تأثير القماش المنسوج العادي.
غالبًا ما يكون نقل الطاقة مصحوبًا بالتلامس بين الألياف داخل نفس الطبقة أو بين الطبقات. أثناء نقل طاقة الاصطدام، يحدث انعكاس الطاقة داخل واجهات جميع المواد، وتكون المواقف متنوعة ومعقدة. ولذلك، فإن مسار الانتشار الأكثر فعالية لطاقة التأثير هو الانتشار على طول محور الألياف.
2.2 العوامل الرئيسية التي تؤثر على أداء المواد المركبة المضادة للرصاص الأراميد
يتأثر أداء المواد المركبة المضادة للرصاص بشكل أساسي بمعامل ومحتوى مادة المصفوفة، وخصائص مادة الألياف، وطريقة النسيج وعملية الألياف.
2.2.1 تأثير معامل راتينج المصفوفة على الخواص الباليستية للمواد المركبة
نظرًا لأن راتنجات المصفوفة ذات المعامل المنخفض لها خصائص تخميد جيدة وتفضي إلى امتصاص الطاقة، فإن الصفائح المصنوعة من راتنجات المصفوفة ذات المعامل المنخفض لها تأثيرات مضادة للرصاص أفضل من راتنجات المصفوفة ذات المعامل العالي.
2.2.2 تأثير محتوى راتينج المصفوفة على الخواص الباليستية للمواد المركبة
إن محتوى راتينج المصفوفة له تأثير مهم جدًا على الخواص الباليستية للمواد المركبة. ستؤدي زيادة محتوى حجم الألياف في المواد المركبة إلى تحسين الخواص الباليستية، ولكن إذا كان محتوى حجم الألياف مرتفعًا جدًا، فسوف تنخفض الخواص الباليستية. نظرًا لأن راتينج المصفوفة في المادة المركبة يمكن أن ينقل الضغط في الوحدة الهيكلية، ولكن إذا كان محتوى حجم الألياف مرتفعًا جدًا، فسيكون محتوى المصفوفة في المادة المركبة صغيرًا جدًا، مما يؤدي إلى انخفاض أداء الترابط بين الراتينج و الألياف وبين الألياف والألياف، وبالتالي التأثير على سلامة الصفائح، ستنخفض أيضًا الخصائص المرنة للمادة المركبة. يشير محتوى حجم الألياف إلى النسبة المئوية لحجم الألياف في القماش إلى الحجم الكامل للنسيج، والتي يمكن تحويلها إلى كثافة مساحة. تعد كثافة المساحة عاملاً مهمًا في قياس قابلية التطبيق الفعلي للألواح المضادة للرصاص. إذا كان يمكن أن يلبي متطلبات الحماية، فيجب أن تكون كثافة المنطقة صغيرة قدر الإمكان أثناء التصميم والتطبيق، بحيث يمكن تقليل التكلفة والوزن بشكل كبير.
2.2.3 تأثير كثافة مساحة الصفائح على الأداء الباليستي للصفائح
سيكون هناك ميل للألياف للانزلاق عندما تخترق المقذوفات الصفائح، ولن تتمكن بعض الألياف من تقليل اختراق المقذوفات. إذا زادت كثافة المساحة، فإن الطاقة الممتصة للصفائح ستزداد، مما يشير إلى أن مقاومتها الباليستية تزداد مع زيادة كثافة المساحة. الأداء الباليستي للصفائح الخالية من اللحمة أفضل من أداء الصفائح المنسوجة العادية.
2.2.4 تأثير بنية نسيج الألياف على الخواص الباليستية للصفائح
بالمقارنة مع أقمشة الساتان والنسيج العادي، فإن الأقمشة ثنائية الأبعاد ثنائية الأبعاد لديها أدنى درجة من المعالجة وأقل خسارة في قوة الألياف. سيتم ترتيب ألياف النسيج بالتوازي في خطوط مستقيمة، مع أكبر قيمة للاحتفاظ بالقوة. نظرًا لعدم وجود نقاط تداخل مباشرة بين الألياف، فإن معدل الانكماش هو في الأساس صفر، مما يقلل بشكل فعال من انعكاس موجات الإجهاد ويتجنب تركيز الضغط في النقاط المحلية عندما تصطدم المقذوفات. ولذلك فإن طاقة امتصاص التمزق للقماش ثنائي الأبعاد تكون عالية. نظرًا لأن هيكل القماش ثنائي الأبعاد فضفاض، فإنه يفضي إلى امتصاص الطاقة، مما يجعله أفضل أداء مضاد للرصاص.
2.2.5 تأثير عدد طبقات القماش على الخواص الباليستية للصفائح
تتمتع الأقمشة منخفضة الكثافة السطحية بخصائص باليستية أفضل. يتم تحديد المقاومة الباليستية للمواد المركبة من خلال الخيوط المضفرة المستخدمة للألياف الموجودة في المادة، ونسج القماش، وعدد الطبقات في كل طبقة، وترتيب الألياف. تحت وزن معين، كلما كانت الضفيرة أرق وأكثر إحكامًا وكلما زاد عدد طبقات المادة، كلما كانت الخصائص الباليستية للمادة أفضل. عندما تكون الكثافة السطحية للمادة الباليستية ثابتة، ينبغي مراعاة الأقمشة ذات الطبقات الأكثر وكثافة السطح الواحد الأصغر. وفي الوقت نفسه، فإن تحسين أداء الألياف نفسها سيؤدي أيضًا إلى تحسين المقاومة الباليستية للمادة.
03
التطبيقات واتجاهات التطوير
تتمتع المواد المركبة المقاومة للصواريخ الباليستية المتقدمة بقوة محددة ومعامل محدد وتصميم وتعدد استخدامات، ولا غنى عنها في العديد من التطبيقات العسكرية. وهي عوامل أساسية في التصميم والتقنيات الرئيسية للحماية الشخصية والأسلحة والتسليح المتقدم. لذلك، بالنسبة لمنظمة ما، إذا تمكنت من دخول مجال البحث والتطبيق هذا وأصبحت موردًا مؤهلاً لنوع معين من المنتجات، فستكون ذات أهمية استراتيجية كبيرة من حيث الفوائد الاجتماعية والاقتصادية.
تتمتع المواد المركبة بأداء جيد لأنها تجمع بين المزايا الخاصة بمواد التسليح والمصفوفات. وهي أيضًا المواد المضادة للرصاص الأسرع نموًا والأكثر واعدة. تتطور المواد المضادة للرصاص تدريجيًا إلى التنويع والتركيب، وظهرت مواد جديدة مضادة للرصاص ذات صلابة عالية وصلابة عالية للتعامل مع مشكلات الحماية الأكثر تعقيدًا. ومع تطور أنظمة الدروع خفيفة الوزن والفعالة، أصبحت مزايا السيراميك المضاد للرصاص والمواد المركبة المضادة للرصاص المعززة بالألياف بارزة بشكل متزايد. تتمتع الألواح الخزفية المركبة الجديدة المضادة للرصاص بمزايا لا تضاهى مع الألواح التقليدية المضادة للرصاص، ولكن لا يمكن تجاهل المشكلات الحالية، لذلك نركز على حل المشكلات الموجودة في المواد المركبة المضادة للرصاص، فإن التحسين المستمر لخصائص المواد هو محور البحث الحالي.
