مقاله طراحی بهینه مواد زره بدن(پارچه) با استفاده از سیال ضخیم کننده تنش

چکیده: پارچه‌های Kevlar woven اغلب برای کاربردهای ضد گلوله ی نازک مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ضدگلوله های نازک، تقریباً ۲۰ تا ۵۰ لایه از پارچه Kevlar مورد استفاده قرار می‌گیرد تا جلوی تیر شلیک شده از یک تفنگ ساچمه ای و یا یک کلت را بگیرد. این باعث می‌شود که ضدگلوله سنگین، انعطاف‌ناپذیر و غیر راحت برای کسی که می‌خواهد از آن استفاده کند، شود. این یک چالش برای محققین و دانشمندان می‌باشد که پارچه‌هایی را برای ضد گلوله‌های نازک طراحی کنند تا وزن کم، انعطاف‌پذیر و مقاوم در برابر گلوله باشد. استفاده از سیال ضخیم کننده تنش (STF) تأثیر عملکرد مقاومت پارچه Kevlar را افزایش می‌دهد [۱,۲]، STF ها سیالات غیر نیوتونی می‌باشند که از یک نرخ تنش بحرانی به بعد افزایش شدیدی در ویسکوزیته از خود نشان می‌دهند [۳-۷]. بنابراین، پخش شدن مایع بر روی یک پارچه به ویژگی‌هایی شبیه به یک ماده جامد تغییرشکل می‌دهد و در نتیجه تاثیر جذب نیرو را آسان‌تر می‌کند. ضخیم کننده تنش به وسیله ذراتی در اندازه نانو از مواد مشخصی (سیلیکا، کلسیم کربنات، پلی متیل متاکریلات و …) نشان داده شده است آن هم در زمانی که آن‌ها در یک سیال کریر (career) پخش شده‌اند. رفتار ضخیم کننده تنش برگشت پذیر می‌باشد، و در نتیجه ضدگلوله را به اندازه کافی انعطاف‌پذیر برای حرکت معمولی سرباز می‌کند.

در دهه گذشته، کارهای تحقیقاتی زیادی بر روی کاربرد STF در پارچه‌های Kevlar برای بهبود عملکردهای مقاومت در برابر ضربه، سوراخ شدن انجام شده است، lee و همکارانش [۱,۸]، Kang و همکارانش [۹]، و Srivastava و همکارانش [۱۰] از STF بر پایه ذرات نانو سیلیکا استفاده کرده‌اند تا عملکرد مقاومت در برابر ضربه برای پارچه‌های Kevlar woven را بهبود ببخشند در حالی که Egres و همکارانش [۱۱] از آن برای افزایش مقاومت در برابر سوراخ شدن در مقابل سوزن‌های تزریقی استفاده کرده‌اند، Decker و همکارانش [۱۲] بهبود مهمی در عملکرد مقاومت در برابر سوراخ شدن در حین آزمایش برج سقوط چاقو گزارش داده‌اند. آن‌ها فهمیدند که مقدار پارچه‌ای که آسیب دیده است در زمانی که از STF محافظت شده با پارچه‌های Kevlar استفاده شده است، کمتر بوده است، Tan و همکارانش [۱۳] گزارش کردند که عملکرد بالستیک پارچه‌های aramid با اشباع کردن آن با یک سوسپانسیون آبی سیلیکا کلوئیدی (SWS) از غلظت‌های مختلف ذرات می‌تواند بهبود یابد، Wetzel و همکارانش [۱۴] بر روی تأثیر شکل غیر یکسان ذرات بر روی عملکرد STF محافظت شده با پارچه‌های Kevlar تحقیق کردند. آن‌ها گزارش دادند که هرچه نسبت وجه¬ها (aspect ratio) برای ذرات افزایش می‌یابد، نیاز برای کسر حجمی جامد برای رسیدن به یک تنش برشی بحرانی کاهش می‌یابد، Kalman و همکارانش [۱۵]، STF های ساخته شده با ذرات سیلیکا سخت و PMMA نرم¬ (پلی متیل متاکریلات) برای بهبود عملکرد مقاومت در برابر ضربه برای پارچه‌های Kevlar را با هم مقایسه کردند. آن‌ها فهمیدند که STF بر پایه PMMA ضخیم کننده، تنش مؤثر کمتری از خود نشان می‌دهد در زمانی که با STF بر پایه ذرات سیلیکا سخت مقایسه شود. بنابراین، پارچه‌های محافظت شده با STF بر پایه سیلیکا، مقاومت بالستیک بهتری نسبت به پارچه‌های محافظت شده با STF بر پایه PMMA از خود نشان داده‌اند، Rosen و همکارانش [۱۶] از خاک رس کالین (Kaolin) (ساختاری مسطح شکل) پخش شده در اتیلن الکل به‌عنوان STF استفاده کردند که مقاومت در برابر میخ، سوراخ شدن و سوزن را بهبود می‌بخشد. در تحقیقات اخیر، Hassan و همکارانش [۱۷,۱۸] و Maufez و همکارانش [۱۹] یک روش شیمیایی سونو را برای سنتز STF در یک مرحله توسعه داده‌اند. آن‌ها فهمیدند که مقاومت در برابر میخ پارچه‌های Kevlar از ۸۵N به ۵۷۳N افزایش یافته است آن هم زمانی که از حفاظ STF استفاده شده است، Park و همکارانش [۲۰,۲۱] تأثیر ورقه ورقه کردن رشته ها، تعداد پارچه‌ها و محل شلیک را بر روی عملکرد ضربه پارچه‌های Kevlar محافظت شده با STF گزارش دادند.

  1. نتایج:

بهینه‌سازی ۳ تا پارامتر فرایند (غلظت سیلیکا، فشار گیره ها و نسبت حلال) برای کاربرد STF بر روی پارچه‌های Kevlar در این تحقیق با استفاده از طراحی آزمایشگاهی Box & Behnken انجام شده است. ۱۵ تا نمونه پارچه Kevlar آماده شده است همچنان که در طراحی آزمایش Box & Behnken در نظر گرفته شده بود که این نمونه‌ها با تغییر غلظت سیلیکا ، فشار گیره ها و نسبت حلال ایجاد شده‌اند. معادلات پاسخ سطح به دست آمده‌اند تا درصد اضافه شدن STF و میزان جذب انرژی ضربه با استفاده از این ۳ تا پارامتر فرایند شرح داده شوند. غلظت سیلیکا، نسبت حلال و مجذور نسبت حلال از لحاظ آماری ترم های چشمگیری بودند که بر روی درصد اضافه شدن STF بر روی پارچه‌های Kevlar تأثیر می‌گذاشتند. از طرف دیگر، غلظت سیلیکا، فشار گیره ها و مجذور نسبت حلال از لحاظ آماری ترم های چشمگیر بودند که میزان جذب انرژی ضربه را تحت تأثیر قرار می‌دادند. بنابراین، دو تا ترم مرسوم و رایج (غلظت STF و مجذور نسبت حلال) وجود دارد که درصد اضافه شدن و میزان جذب انرژی ضربه را به یک شکل یکسان تحت تأثیر قرار می‌دهند. شکل‌های کانتور ایجاد شده نقش هم‌زمان ۲ تا پارامتر فرایند یز روی درصد STF و میزان جذب انرژی ضربه نشان می‌دهد. شکل‌های کانتور نشان می‌دهد که فشار بالاتر گیره ها تقریباً نقش ناچیزی در تأثیرگذاری بر روی درصد اضافه شدن STF دارد. در هر حال، فشار بالاتر گیره ها برای حداکثر رساندن میزان جذب انرژی لازم و ضروری می‌باشد. به‌طورکلی، فهمیده شد که غلظت بالاتر سیلیکا، فشار بالاتر گیره ها و نسبت پایین‌تر حلال، میزان جذب انرژی ضربه بر روی پارچه‌های STF Kevlar را آسان‌تر می‌کند.

زبان مقاله: انگلیسی

توضیحات: مجله مواد و طراحی، دانشگاه هند

کلید واژه ها: پارچه، زره، مقاله، مقاومت پارچه،

 

بیشتر بخوانید

نظر و پیشنهاد بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *