التقدم البحثي الحديث في مجال الخوذات الواقية من الرصاص المصنوعة من مواد مركبة مقواة بالألياف

مقدمة

مع تصاعد حدة النزاعات الدولية وتزايد تعقيد الإرهاب والتطرف العالميين، بات خطر الحرب أشد وطأة، مما يفرض متطلبات أعلى على الأداء الشامل للمعدات العسكرية، كخوذات الحماية من الرصاص. ورغم أن الرأس والرقبة لا يشكلان سوى 12% من جسم الجندي، إلا أن إصابات الرأس تُشكل نصف وفيات المعارك. وتُعد إصابات الدماغ الرضية سببًا شائعًا لوفاة الجنود وإعاقتهم، وقد أصبحت من أبرز الإصابات في النزاعات العسكرية الحديثة. وتشير البيانات إلى أن المقذوفات أو الشظايا عالية السرعة في ساحة المعركة قد تُسبب حوالي 80% من الإصابات المميتة، 45% منها في الرأس. وفي مواجهة هذه المقذوفات أو الشظايا عالية السرعة التي قد تأتي من أي اتجاه في ساحة المعركة، تستطيع خوذات الحماية من الرصاص امتصاص أو تقليل الطاقة الحركية الناتجة عن اصطدام المقذوفات والشظايا، مما يُقلل من الضرر الذي يلحق بالشبكات العصبية والأوعية الدموية في الدماغ جراء الموجات الكهربائية التي تُولدها المقذوفات داخل الدماغ، وبالتالي يُخفض معدل وفيات المقاتلين. أظهرت الدراسات أن ارتداء الخوذات الواقية من الرصاص من قبل أفراد القوات المقاتلة يقلل من معدل الوفيات بنحو 20%. لذا، ثمة حاجة ملحة لتطوير خوذات واقية من الرصاص ذات أداء وقائي أفضل، ووزن أخف، وراحة أكبر عند الارتداء، وذلك لمواجهة بيئات ساحات المعارك المتزايدة التعقيد وحماية أرواح الجنود.

كانت خوذة M1915 الفولاذية، التي استُخدمت خلال الحرب العالمية الأولى، أول خوذة حديثة مضادة للرصاص في العالم. وبناءً عليها، أنتج الجيش الأمريكي خوذة M1917، وخلال الحرب العالمية الثانية، طوّر خوذة M1 الفولاذية، وهي الخوذة الفولاذية الحصرية للجيش الأمريكي، والتي تُعدّ أيضًا أطول الخوذات الفولاذية الحديثة استخدامًا. لاحقًا، ومع تطور الألياف عالية الأداء وموادها المركبة، تراجعت الخوذات الفولاذية تدريجيًا من الاستخدام الشائع. على سبيل المثال، بدأت خوذة PASGT، نظرًا لراحتها وحمايتها العالية، تُستخدم على نطاق واسع في الجيش الأمريكي. كما نجحت بلادي في تطوير خوذة جديدة مضادة للرصاص مصنوعة من مادة مركبة، وهي خوذة QGF02 المصنوعة من ألياف الأراميد، في عام 1993. منذ بداية القرن الحادي والعشرين، طوّرت دول عديدة تباعًا خوذات باليستية خفيفة الوزن وعالية الحماية ومتكاملة للغاية، مثل خوذة IHPS القتالية التابعة للجيش الأمريكي، وخوذة W-15 الصينية، وخوذة VIRTUS البريطانية. يوضح الشكل 1 صورًا تاريخية لخوذات عسكرية باليستية صينية وأمريكية. يُظهر الصف الأول الخوذات الصينية، بينما يُظهر الصف الثاني الخوذات الأمريكية.

مع استمرار النزاعات العسكرية في جميع أنحاء العالم وتزايد تعقيد بيئات القتال في المدن والساحات، يُعدّ تطوير خوذات مضادة للرصاص تلبي متطلبات حروب المستقبل - من خلال توفير حماية عالية الأداء، ووظائف ذكية، وراحة، وقابلية للتكيف، وإنتاج سريع، وإمكانية التخصيص - أمرًا بالغ الأهمية لضمان سلامة الجنود، وتعزيز الفعالية القتالية العسكرية، والتكيف مع الاحتياجات القتالية المتنوعة. ومع التطور المستمر لعلم المواد، تُصنع الخوذات المضادة للرصاص الآن بشكل أساسي من مواد مركبة مُدعمة بالألياف، والتي تجمع بين خفة الوزن، والحماية العالية، والراحة. ويمكن لهذه الخوذات المتكاملة وظيفيًا أن تُحسّن بشكل كبير القدرات القتالية القائمة على المعلومات لدى الجندي. تُقدّم هذه الورقة المواد المركبة عالية الأداء المُدعمة بالألياف المستخدمة في الخوذات المضادة للرصاص، وهياكل الأقمشة الباليستية المُستخدمة، وتُلخّص بشكل منهجي تقنية تشكيل الخوذات المضادة للرصاص، مُوفّرةً مواد مرجعية للتصميم والتصنيع المستقبلي للخوذات المضادة للرصاص المصنوعة من مواد مركبة مُدعمة بالألياف.

1. مواد مركبة مقواة بالألياف للخوذات المضادة للرصاص

1.1 ألياف الكربون

في القرن الماضي، كانت الخوذات الواقية من الرصاص المركبة تُصنع بشكل أساسي من مركبات ألياف الأراميد. أما في هذا القرن، فقد حلت ألياف البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي (UHMWPE) تدريجياً محل ألياف الأراميد لتصبح المادة السائدة في مجال الحماية من الرصاص. ألياف الكربون نظرًا لصلابته وقوته العالية للغاية، غالبًا ما يتم تهجينه مع ألياف الأراميد وألياف البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي، مما يُظهر إمكانات كبيرة في مجال الحماية من الرصاص. في السنوات الأخيرة، ظهرت ألياف جديدة عالية الأداء مثل ألياف PBO وألياف PIPD. يملك كما حظيت باهتمام واسع في مجال الحماية الباليستية. وتُبين خصائصها الميكانيكية الأساسية في الجدول 1.



طُوِّرت ألياف الكربون في خمسينيات وستينيات القرن الماضي. ونظرًا لمعامل مرونتها العالي، وقوة شدها العالية، وثباتها في درجات الحرارة المرتفعة، ومقاومتها العالية للتآكل، فقد حظيت باهتمام واسع النطاق، وتُستخدم على نطاق واسع في مجالات الطيران والفضاء والمجالات العسكرية. تُشير ألياف الكربون إلى ألياف عالية الأداء تحتوي على نسبة كربون تبلغ حوالي 95%، وتُنتَج عن طريق كربنة الألياف العضوية في الحالة الصلبة. حاليًا، تُصنع ألياف الكربون المتوفرة تجاريًا في جميع أنحاء العالم بشكل أساسي من ألياف البولي أكريلونيتريل (PAC). نظرًا لصلابتها وقوتها العالية للغاية، غالبًا ما تُهجَّن ألياف الكربون مع ألياف أخرى عالية الأداء لإنتاج مواد مركبة مضادة للرصاص. على سبيل المثال، قامت جامعة نانيانغ التكنولوجية وشركة DSM بدمج ألياف البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي (UHMWPE) مع ألياف الكربون، مما أدى إلى تحسين قدرات الحماية الباليستية بشكل كبير عن طريق تغيير ترتيب الطبقات لتقليل سرعة سقوط المقذوفات من أسفل الصفيحة المركبة المضادة للرصاص. على الرغم من أن مركبات ألياف الكربون تتمتع بمعامل شد عالٍ وقوة شد عالية، إلا أن استطالتها المنخفضة عند الكسر تحد من كفاءة امتصاص الطاقة، مما يحد من استخدامها في الحماية الباليستية.

1.2 ألياف الأراميد

ألياف الأراميد هي ألياف بولي أميد مصنعة صناعياً، بما في ذلك بولي (بارا-فينيلين تيريفثالاميد) (PPTA)، وبولي (ميتا-فينيلين إيزوفثالاميد) (PMIA)، وألياف بولي أميد عطرية غير متجانسة الحلقات تحتوي على ذرات غير متجانسة، وألياف بولي أميد عطرية بالكامل من نوع أورثو-أراميد. حالياً، تُعد ألياف الأراميد المنتجة بشكل رئيسي في العالم هي بارا-أراميد (PPTA) و ميتا أراميد (PMIA). ومن بينها، تُستخدم ألياف كيفلر من شركة دوبونت وألياف توارون من شركة تيجين على نطاق واسع في الحماية الباليستية. خوذة PASGT الباليستية، التي طُوّرت في ثمانينيات القرن الماضي، مصنوعة من مادة مركبة من ألياف كيفلر 29، بينما خوذة ACH القتالية الشهيرة لاحقًا مصنوعة من مادة مركبة من ألياف كيفلر 129. تتميز ألياف الأراميد بقوة نوعية عالية، ومعامل مرونة عالٍ، ومعدل امتصاص طاقة عالٍ، وتُستخدم على نطاق واسع في الحماية الباليستية. على الرغم من تعدد استخدامات ألياف الأراميد، إلا أن قابليتها للتحلل تحت الأشعة فوق البنفسجية والتحلل المائي نتيجة امتصاص الرطوبة قد حدّت من تطورها. كما أن عمرها الافتراضي يتقلص بشكل ملحوظ، ويقل أداؤها الوقائي في البيئات الرطبة أو ذات الأشعة فوق البنفسجية القوية.

ألياف البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي 1.3

ألياف البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي يُستخدم البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي (UHMWPE) على نطاق واسع في مختلف المجالات نظرًا لخصائصه المميزة، مثل انخفاض الكثافة، ومقاومة الصدمات الممتازة، ونسبة القوة إلى الوزن العالية، وأداء التخميد العالي، ومقاومة التآكل. وتُعدّ ألياف داينيما، التي تنتجها شركة DSM، وألياف سبيكترا، التي تنتجها شركة هانيويل، من أشهر أنواع ألياف UHMWPE عالميًا. ونظرًا لأن معظم موجات الصدمة تنتشر بالتوازي مع اتجاه الألياف عند تعرض المواد المركبة المدعمة بالألياف لصدمات شديدة، فإن ألياف UHMWPE عالية الصلابة تعمل كقناة عالية الطاقة لتبديد طاقة الصدمة في جميع أنحاء الهيكل. تُمكّن هذه الخاصية من اعتراض رصاصات المسدسات التقليدية والشظايا منخفضة السرعة بكفاءة، وقد استُخدمت على نطاق واسع في تطبيقات مثل الدروع الواقية للجسم. إضافةً إلى ذلك، تتميز ألياف UHMWPE بكثافة أقل بكثير مقارنةً بألياف الكربون وألياف الأراميد، مما يُسهم في تخفيف وزن الخوذات الواقية من الرصاص. علاوةً على ذلك، فإن متانة ألياف UHMWPE العالية، ومقاومتها للأشعة فوق البنفسجية، ومقاومتها للتآكل تجعلها أفضل مادة ألياف للحماية الباليستية في الأنظمة الصناعية. مع ذلك، فإن قوى التجاذب بين جزيئات ألياف البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي ضعيفة نسبيًا، ويحدث الزحف عندما تتجاوز درجة حرارة المعالجة 130 درجة مئوية. عند درجة حرارة الانصهار (حوالي 150 درجة مئوية)، يزداد معدل الزحف بشكل حاد، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في عمر الخدمة. علاوة على ذلك، ينتج عن السطح الخامل كيميائيًا لألياف البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي ضعف في قوة الترابط البيني مع الراتنجات، مما يعيق إنتاج وتطبيق مركبات ألياف البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي.

1.4 ألياف أخرى عالية الأداء

تم تطوير ألياف بولي (فينيلين بنزوبيسوكسازول) في البداية بواسطة مختبر المواد التابع للقوات الجوية الأمريكية كمادة مقاومة لدرجات الحرارة العالية، وتم تسويقها لاحقًا بواسطة شركة تويوبو المحدودة في اليابان، تحت اسم زيلون. ألياف PBO تتميز ألياف PBO بقوة عالية، ومعامل مرونة عالٍ، ومقاومة عالية للحرارة، ومقاومة للاشتعال، مما يجعل أداءها العام الأفضل بين جميع "الألياف العضوية". في عام 2003، أنتجت الولايات المتحدة نماذج أولية للخوذات باستخدام ألياف PBO، لكن وزنها لم يتجاوز 0.8 كجم، أي أخف بنحو 0.55 كجم من خوذات الأراميد ذات مستوى الحماية نفسه. يبلغ معامل الشد لألياف PBO حوالي 270 جيجا باسكال، أي ما يقارب ثلاثة أضعاف معامل ألياف البارا-أراميد. مع ذلك، تتميز ألياف PBO بثبات لوني ضعيف للغاية وسطح كثيف وناعم، مما يؤدي إلى ضعف التماسك بينها وبين المادة المركبة. يتدهور أداؤها بشكل ملحوظ في البيئات الرطبة والحارة، مما يحد من استخدامها في الخوذات المضادة للرصاص.

ألياف PIPD هي ألياف بوليمرية حلقية غير متجانسة عطرية بلورية سائلة، طُوّرت استنادًا إلى السلسلة الجزيئية PBO، وتُعرف أيضًا باسم ألياف M5. طُوّرت ألياف PIPD في البداية بواسطة شركة أكزو نوبل في هولندا، وتُعدّ تقنية الغزل الرطب بالنفث الجاف الطريقة الرئيسية لتصنيعها حاليًا. تشمل المواد الخام الرئيسية TAP وDHTA. تتميز ألياف PIPD بمعامل مرونة يبلغ 150 جيجا باسكال وقوة شد تبلغ 2.5 جيجا باسكال. تُعتبر PIPD أليافًا عالية الأداء ذات بنية صلبة تشبه القضيب وروابط هيدروجينية قوية بين الجزيئات، مما يُظهر قوة ضغط أعلى بكثير مقارنةً بألياف PBO. مع ذلك، فإن خمول سطح ألياف PIPD يُقلل من التفاعل بين الألياف والراتنج، مما يُقلل من الأداء العام للمادة المركبة. علاوة على ذلك، فإن هشاشتها تحت تأثير أحمال الصدمات تؤثر أيضًا على أدائها في الحماية الباليستية.

2. هيكل النسيج الباليستي

تشير الأقمشة الواقية الباليستية عادةً إلى ألياف عالية الأداء تمتص طاقة الحركة الناتجة عن الصدمات من خلال كسر الألياف بفعل الشد، وتشوه النسيج، والاحتكاك بين الألياف والمقذوف المصطدم، مما يقلل أو يمنع بشكل فعال إصابة مرتديها جراء الصدمات عالية السرعة. يعتمد أداء الحماية الباليستية للأقمشة المقاومة للصدمات الباليستية بشكل أساسي على بنية النسيج وخصائص خيوطه. وبناءً على عملية التصنيع، يمكن تقسيم الأقمشة غير المنسوجة عمومًا إلى أقمشة غير منسوجة أحادية الاتجاه، وأقمشة منسوجة ثنائية الأبعاد، وأقمشة منسوجة ثلاثية الأبعاد.

2.1 الأقمشة غير المنسوجة أحادية الاتجاه

طُرحت أقمشة أحادية الاتجاه لأول مرة من قِبل شركة Allied Signal عام 1988. تُصنع هذه الأقمشة بترتيب الألياف بشكل متوازٍ، ثم تُرقق بزاوية 0/90 أو 0/90/±45°، وتُلصق بعد ذلك براتنج حراري. تتميز أقمشة أحادية الاتجاه ذات الطبقة الواحدة بحدود حماية باليستية أعلى وقدرة أكبر على امتصاص الطاقة مقارنةً بالأقمشة المنسوجة ثنائية وثلاثية الأبعاد، كما توفر مرونة وجودة أعلى. تكمن ميزة أقمشة أحادية الاتجاه في خلوها من التقاطعات أو التواءات، مما يسمح للموجات المنعكسة بالانتشار على مساحة واسعة عند الاصطدام، ما يؤدي إلى سرعات انتقال أسرع ومشاركة عدد أكبر من الألياف في اختراق المقذوف. غالبًا ما تستخدم مركبات ألياف البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي (UHMWPE) هياكل أقمشة أحادية الاتجاه لتحقيق أداء حماية أفضل وكفاءة أعلى في امتصاص الطاقة، كما تختلف أنماط تلف هذه الأقمشة باختلاف سماكتها. على سبيل المثال، تتمثل آلية فشل الثقب في رقائق مركبات البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي أحادية الاتجاه في فشل القص والاحتكاك الناتج عن الثقب (بين المقذوف والعينة). في حالة حدوث ثقب في الصفائح المركبة السميكة من البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي، فإن آليات الفشل الرئيسية هي انفصال المركب، وشد الألياف، والتمدد.

كما هو موضح في مقارنة هياكل الأقمشة الباليستية، تُرتّب الألياف في الأقمشة غير المنسوجة أحادية الاتجاه بشكل متوازٍ، بزاوية 0/90 أو 0/90/±45°، وتُغلّف براتنج حراري. تشمل مزاياها الأداء الجيد والمرونة، وخفة الوزن، وعدم وجود نقاط تقاطع أو تجعد، وسرعة انتشار الموجات. كما يساهم عدد أكبر من الألياف في اختراق المقذوفات. يُستخدم هذا الهيكل عادةً في مركبات ألياف البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي (UHMWPE) لتحسين الحماية وكفاءة امتصاص الطاقة. تكمن المشكلة في اختلاف أنماط الفشل باختلاف السُمك: فالثقب في رقائق مركبات UHMWPE أحادية الاتجاه يعود في الغالب إلى فشل القص والاحتكاك الناتج عن الثقب؛ بينما يعود الثقب في رقائق مركبات UHMWPE السميكة في الغالب إلى انفصال طبقات المركب، وشد الألياف، والتمدد.

2.2 الأقمشة المنسوجة ثنائية الأبعاد

تتكون الأقمشة المنسوجة ثنائية الأبعاد من خيوط السدى واللحمة المتشابكة بزوايا قائمة. وتشمل بشكل أساسي النسيج السادة، والنسيج المائل، والنسيج الساتان، كما هو موضح في الشكل. يُعد النسيج السادة ثنائي الأبعاد أكثر أنواع الأقمشة استخدامًا في الحماية الباليستية. يمكن خياطة الأقمشة المنسوجة ثنائية الأبعاد في طبقات متعددة لتحسين أداء الحماية الباليستية، وتقليل درجة الانبعاج (BFS)، والحد من أضرار موجات الصدمة الناتجة عن المقذوفات على الدماغ البشري. مع ذلك، ونظرًا لانحناء الألياف وتقلباتها داخل النسيج في الأقمشة المنسوجة ثنائية الأبعاد، قد تتراكب موجات الإجهاد وتنعكس، مما يؤدي إلى استطالة مفرطة للألياف وانقطاعها، وبالتالي تقليل قدرة الألياف على الحماية الباليستية.

كما هو موضح في الشكل 2، تختلف النماذج الهندسية للأقمشة ثنائية الأبعاد باختلاف نوع النسيج. وكما هو مبين في الجدول 2، تتكون الأقمشة المنسوجة ثنائية الأبعاد من خيوط السدى واللحمة المتشابكة بزوايا قائمة، وتشمل أنواع النسيج: النسيج السادة، والنسيج المائل، والنسيج الساتان. يُعد النسيج السادة ثنائي الأبعاد من أكثر أنواع هياكل الحماية الباليستية شيوعًا. تشمل مزاياه إمكانية خياطته في طبقات متعددة، مما يُحسّن أداء الحماية الباليستية، ويقلل من انبعاج الرصاصة، ويُخفف من أضرار موجات الصدمة الناتجة عن المقذوفات على الدماغ. أما عيوبه فتتمثل في انحناء الألياف وتموجها على سطح النسيج، مما يؤدي إلى تراكب موجات الإجهاد وانعكاسها، وبالتالي استطالة الألياف بشكل مفرط وانكسارها، مما يُقلل من قدرات الحماية الباليستية. ومن أبرز هذه العيوب وضوح الأطراف الحادة مقارنةً بألياف الكيفلار المكونة من 30 طبقة.

2.3 الأقمشة المنسوجة ثلاثية الأبعاد

بالنسبة للخوذات المضادة للرصاص المصنوعة من أقمشة منسوجة ثنائية الأبعاد، غالبًا ما يؤدي القص والخياطة إلى تعطيل استمرارية الألياف، مما يقلل من أداء الخوذة الباليستي. علاوة على ذلك، تتميز الأقمشة المنسوجة ثنائية الأبعاد عادةً بضعف التماسك الجانبي، مما يجعلها عرضة للانفصال. أما الأقمشة المنسوجة ثلاثية الأبعاد، التي تستخدم خيوط السدى واللحمة الطولية والعرضية لإنشاء نسيج متكامل ثلاثي الأبعاد، فتخفف بشكل كبير من المشاكل المرتبطة بالأقمشة المنسوجة ثنائية الأبعاد. يوضح الشكل 3 مخططًا تخطيطيًا لبنية نموذج نسيج منسوج متعامد ثلاثي الأبعاد. يتم ربط النسيج المنسوج ثلاثي الأبعاد ببعضه البعض عن طريق خياطة الخيوط الطولية، مما يزيد بشكل فعال من المرونة الموضعية، ويقلل من الإجهاد عند نقطة اصطدام الرصاصة، ويطيل وقت التلامس بين الرصاصة والنسيج، ويوزع الإجهاد على مساحة أكبر حول نقطة اصطدام الرصاصة. قارنت جوستينا بينكوس وآخرون مقاومة اختراق الرصاص للأقمشة المنسوجة ثنائية وثلاثية الأبعاد المصنوعة من 30 طبقة من ألياف كيفلر. وجدوا أنه عند مواجهة نفس مستوى اختراق الرصاصة، احتاج النسيج المنسوج ثلاثي الأبعاد إلى عدد أكبر من الطبقات لامتصاص الموجة الصدمية. ومع ذلك، لم يكن للنسيج المنسوج ثلاثي الأبعاد طرف حاد واضح، بينما كان للنسيج المنسوج ثنائي الأبعاد طرف حاد أكثر وضوحًا.


كما هو موضح في الشكل 2 أعلاه، يستخدم النسيج المنسوج ثلاثي الأبعاد خيوط السدى واللحمة العرضية والطولية لتشكيل بنية متكاملة، حيث تُخاط أجزاء النسيج معًا باستخدام الخيوط الطولية. تشمل مزايا أدائه التخفيف من مشاكل انقطاع استمرارية الألياف، وضعف الالتصاق العرضي، وسهولة انفصال الطبقات المرتبطة بالقص والخياطة في الأقمشة المنسوجة ثنائية الأبعاد؛ وزيادة المرونة الموضعية، وتقليل الإجهاد عند نقطة اصطدام الرصاصة، وإطالة مدة التلامس بين الرصاصة والنسيج، وتوزيع الإجهاد على مساحة أكبر. تكمن المشكلة في أنه عند مواجهة نفس مستوى اختراق الرصاصة، يلزم عدد أكبر من الطبقات لامتصاص موجة الصدمة. ومن المشكلات المحددة أنه بالمقارنة مع 30 طبقة من ألياف كيفلر، لا توجد نقطة حادة واضحة.

3. تقنية قولبة المواد المركبة للخوذات المضادة للرصاص

تتكون الخوذات المضادة للرصاص بشكل أساسي من غلاف خارجي وبطانة ونظام تعليق. تمتص هذه الخوذات طاقة اصطدام المقذوفات أو الشظايا عالية السرعة من خلال تشوه الغلاف الخارجي وكسره. ولذلك، تلعب عملية تصنيع غلاف الخوذة دورًا حاسمًا في أدائها الوقائي. تتضمن طرق التشكيل المسبق التقليدية ترتيب الألياف عالية الأداء بدقة، ثم تحضير مادة ما قبل التشريب الليفي باستخدام راتنج حراري أو راتنج متصلب حراريًا. بعد ذلك، تُخضع مادة الألياف المركبة المقطوعة والموضوعة لعملية قولبة بالضغط العالي في مكبس معدني ساخن. أثناء تصنيع الخوذة، من الضروري ضمان توزيع متجانس للمواد وسطح غلاف أملس، مما يقلل الفجوات بين الطبقات المختلفة ويخفف من تركيز الإجهاد أثناء اختراق المقذوفات. تستخدم تقنيات تصنيع أغلفة الخوذات المضادة للرصاص الحالية تقنيات قولبة المواد المركبة، مثل القولبة اليدوية، وقولبة نقل الراتنج (RTM)، والتشكيل الحراري، والقولبة بالحجم النهائي.

3.1 عملية التشكيل اليدوي

يُعدّ التشكيل اليدوي، المعروف أيضًا بالتشكيل التلامسي، أقدم تقنيات التشكيل وأكثرها استخدامًا في إنتاج الخوذات الواقية من الرصاص المصنوعة من المواد المركبة. ويعتمد هذا الأسلوب بشكل أساسي على العمل اليدوي، مع استخدام محدود للآلات. ويتطلب مستوى عالٍ من المهارة الفنية من المشغلين، بما في ذلك الإلمام بالخصائص الهيكلية للمنتج والخبرة في قطع وتركيب ألياف التقوية، بالإضافة إلى معالجة سطح القالب. ورغم أن التشكيل اليدوي يوفر قوالب منخفضة التكلفة وسهلة الصيانة، وغير مقيدة بحجم أو شكل المنتج، مما يسمح بإجراء تعديلات مرنة على الأجزاء المختلفة وفقًا لمتطلبات التصميم، فضلًا عن سهولة التشكيل في درجة حرارة الغرفة، إلا أنه عادةً ما يكون مناسبًا فقط لإنتاج المنتجات الصغيرة. وغالبًا ما تُظهر المنتجات النهائية خصائص ميكانيكية غير متجانسة، وضعفًا في الاستقرار، وأداءً وقائيًا غير متسق.

يُظهر الجدول 3 مقارنة بين تقنيات قولبة المواد المركبة للخوذات الواقية من الرصاص. تعتمد تقنية القولبة اليدوية بشكل كبير على مهارات العامل، مما ينتج عنه خصائص ميكانيكية غير متجانسة، وضعف في الاستقرار، وأداء وقائي غير مستقر في المنتج النهائي. تتميز هذه التقنية بأقل كفاءة، وتتطلب معدات بسيطة واستثمارًا منخفضًا، ولكنها ذات تكاليف عمالة عالية، مما يجعلها مناسبة للإنتاج بكميات صغيرة، أو الإنتاج حسب الطلب، أو تطوير النماذج الأولية، أو الإنتاج الطارئ المؤقت لكميات صغيرة من الخوذات.

3.2 قولبة نقل الراتنج (RTM)

تقنية قولبة نقل الراتنج (RTM) هي تقنية قولبة للمواد المركبة، تتضمن حقن راتنجات منخفضة اللزوجة، مثل راتنجات البوليستر أو الإيبوكسي، في قالب مغلق، مما يؤدي إلى تشريب كامل ومتجانس للألياف عالية الأداء أو مواد تقوية أخرى، ثم معالجتها. بالمقارنة مع القولبة اليدوية التقليدية، تُنتج تقنية RTM مواد ذات مقاومة أعلى للصدمات، وخصائص ميكانيكية أكثر تجانسًا، وتكلفة أقل، وسهولة في إعادة الإنتاج، ودقة أبعاد أعلى، وسطح أكثر نعومة واستواءً. مع ذلك، عند إنتاج مواد مركبة ذات هياكل معقدة وأحجام كبيرة، غالبًا ما تواجه تقنية RTM مشاكل مثل عدم انتظام تدفق الراتنج، وعدم كفاية تشريب الألياف، وطول مدة القولبة، مما يؤدي إلى تباينات بين الخصائص الميكانيكية المتوقعة، والقوة، والدقة للمنتج المركب. يوضح الشكل 4 مخطط تدفق العملية.

كما هو موضح في الشكل 3 أعلاه، تتميز المنتجات المصنعة باستخدام تقنية قولبة نقل الراتنج بتوزيع متجانس للراتنج، ومسامية منخفضة، وخصائص ميكانيكية ممتازة، وأداء وقائي جيد. ويمكن إنتاجها بكميات كبيرة بكفاءة عالية واستثمار أولي معقول، مما يوازن بين الإنتاج الضخم والتخصيص للخوذات ذات متطلبات الجودة العالية والهياكل المعقدة، مثل تلك الخاصة بالقوات الخاصة.

3.3 عملية التشكيل الساخن

التشكيل الحراري عملية شائعة الاستخدام في تشكيل المواد المركبة. وتتمثل العوامل الرئيسية المؤثرة على جودة تشكيل الخوذات الواقية من الرصاص في درجة حرارة التشكيل، ومدة التشكيل، وضغط التشكيل. في البداية، تُخلط ألياف عالية الأداء مع راتنجات حرارية أو راتنجات لدن بالحرارة لتحضير مادة ما قبل التشريب. ثم يُسخن القالب مسبقًا ويُحافظ على درجة حرارته ثابتة. بعد ذلك، تُوضع مادة ما قبل التشريب في القالب، وتُضغط الحواف ويُغلق القالب. تُرفع درجة حرارة القالب إلى درجة حرارة التشكيل، ويُطبق الضغط، وبعد الحفاظ على الحرارة، يُبرد القالب ويُفصل. أخيرًا، يُخرج المنتج النهائي لإجراء الإصلاحات. أثناء التشكيل الحراري، يجب مراقبة ظروف التشكيل بعناية. على سبيل المثال، لا تتجاوز درجة حرارة معالجة خوذات البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي المركب عادةً 130 درجة مئوية. يوضح الشكل 5 مخططًا انسيابيًا لعملية التشكيل الحراري للخوذات الواقية من الرصاص.



كما هو موضح في الجدول 3 أعلاه، تتميز المنتجات المصنعة باستخدام عملية التشكيل الحراري بدقة تشكيل عالية وثبات في الأبعاد، ما يفي بمعايير الحماية عالية الأداء. كما أنها تتميز بتناسق جيد في المنتج، ما يجعلها مناسبة للإنتاج على نطاق واسع. مع ذلك، فإن تكلفة التصنيع مرتفعة، وتستهلك درجات الحرارة والضغط العالية طاقة كبيرة. وهذا يجعلها مناسبة للإنتاج القياسي بكميات كبيرة، مثل خوذات الحماية من الرصاص عالية الأداء، على سبيل المثال، في مجال توريد المعدات العسكرية التقليدية.

3.4 تقنية التشكيل بالأبعاد الصافية

تُعدّ تقنية التشكيل بالحقن الهلامي، والمعروفة أيضًا بتقنية التشكيل بالحقن الهلامي، طريقةً متطورةً للتشكيل تُستخدم على نطاق واسع في صناعة السيراميك، والمركبات المعدنية، وغيرها من المجالات. وتقوم هذه التقنية على مبدأ خلط المونومرات العضوية، وعوامل الربط المتشابك، وغيرها من الإضافات مع مسحوق السيراميك أو المعدن لتكوين معجون. بعد حقن هذا المعجون في قالب، يُحفّز مُحفّز التفاعل تفاعل بلمرة المونومر، مما يؤدي إلى تحوّل المعجون إلى هلام في مكانه وتصلّبه. تُوفّر هذه التقنية مزايا كبيرة، إذ تُتيح إنتاج قطع ذات أشكال معقدة ودقة أبعاد عالية. وتتميز هذه القطع بتجانسها الجيد وقوتها العالية، مما يُقلّل بشكل فعّال من عمليات المعالجة اللاحقة. على سبيل المثال، في تصنيع مكونات السيراميك عالية الحرارة لمحركات الطائرات، يُمكن لهذه التقنية تشكيل هياكل داخلية معقدة بدقة. ومع ذلك، فإنّها تتطلب معايير صارمة للغاية فيما يتعلق بنقاء المواد الخام والتحكم في معايير العملية، كما أنّ بعض الإضافات العضوية باهظة الثمن، مما يُحدّ من استخدامها على نطاق واسع إلى حدّ ما. ومع ذلك، ومع التطوير والتحسين المستمر للتكنولوجيا، تتمتع تقنية التشكيل بالحقن الهلامي بإمكانات تطبيقية هائلة في الصناعات التحويلية المتطورة. يوضح الشكل 6 مخططًا تخطيطيًا لتقنية التشكيل بالحجم الصافي.


كما هو موضح في الجدول 3 أعلاه، تتميز المنتجات المصنعة باستخدام تقنية التشكيل بالحجم الصافي بقوة عالية، وتجانس جيد، وبنية داخلية كثيفة، قادرة على تحمل قدر معين من القوى الخارجية. وتتميز هذه التقنية بكفاءة عالية، ودورة تشكيل طويلة نسبيًا، وتكاليف تصنيع مرتفعة، مما يجعلها مناسبة لتصنيع المكونات المعقدة في مجالات الطيران والفضاء أو الإلكترونيات حيث تكون دقة الشكل والأداء الميكانيكي العالية للغاية مطلوبة.

4. الخاتمة

تُعدّ الخوذات المضادة للرصاص، كمعدات حماية فردية للجنود، وسيلة فعّالة لحماية الجنود والحدّ من إصابات الرصاص أو منعها تمامًا. لذا، يُعدّ الفهم الشامل لنظام المواد المركبة المُدعّمة بالألياف، ونوع بنية النسيج، وتقنية تشكيل المواد المركبة المستخدمة في الخوذات المضادة للرصاص أمرًا بالغ الأهمية للبحث عن أنواع جديدة منها. تُقدّم هذه المقالة أولًا المواد المركبة، التي تتميّز بصلابة وقوة عاليتين للغاية، وقدرة فائقة على امتصاص الطاقة، مما يُوفّر حماية باليستية فائقة مقارنةً بالمواد العادية. ثانيًا، تُناقش المقالة هياكل الأقمشة الباليستية، التي تُحقّق أداءً وقائيًا أفضل وكفاءة أعلى في امتصاص الطاقة. ونظرًا للدور المحوري الذي تلعبه عملية تصنيع غلاف الخوذة في أدائها الوقائي، تُقدّم المقالة ملخصًا لأربع تقنيات لتشكيل المواد المركبة المستخدمة في الخوذات المضادة للرصاص.

1) ينتج عن التشكيل اليدوي منتجات ذات خصائص ميكانيكية غير متساوية، وكفاءة أقل، وتكلفة أقل، وهو مناسب للإنتاج بكميات صغيرة أو حسب الطلب.

2) ينتج قولبة نقل الراتنج (RTM) منتجات ذات خصائص ميكانيكية ممتازة وكفاءة أعلى وتكاليف استثمار معتدلة، مما يلبي احتياجات الإنتاج الضخم والتخصيص.

3) ينتج التشكيل الحراري منتجات ذات خصائص ميكانيكية جيدة ولكن بتكاليف تصنيع أعلى، وهو مناسب للإنتاج الضخم المعياري.

4) ينتج عن التشكيل بالحجم الصافي منتجات ذات قوة تشكيل أولي عالية وكفاءة أعلى ولكن بتكاليف تصنيع أعلى، وهو مناسب لتصنيع المكونات المعقدة ذات المتطلبات العالية للغاية لدقة الشكل والخصائص الميكانيكية.

على الرغم من أن عمليات تشكيل الخوذات الواقية من الرصاص المصنوعة من المواد المركبة ناضجة نسبيًا، إلا أن العديد من المشكلات لا تزال بحاجة إلى حل. في ظل بيئة دولية متزايدة التعقيد وتطور تكنولوجيا المعلومات، سيتجه تصميم الجيل القادم من الخوذات الواقية من الرصاص نحو التركيز على خفة الوزن، وتعدد الوظائف، والذكاء، وانخفاض التكلفة، مع ضمان استدامة التصنيع. سيلبي هذا متطلبات حروب المستقبل فيما يتعلق بحماية الخوذة، وذكائها، وراحتها، وقابليتها للتكيف، وسرعة إنتاجها وتخصيصها، مما سيُحسّن بشكل كبير من فعالية الجنود القتالية في ساحة المعركة.