تتميز ألياف الأراميد بالقوة النوعية العالية والاستطالة العالية عند الكسر، ويمكنها استبدال المواد المركبة من الألياف الزجاجية/الراتنج بشكل كامل في العديد من المجالات.
في الوقت الحاضر، تعمل دول العالم باستمرار على تطوير وتحسين مختلف المواد الباليستية الجديدة لتعزيز أداء الحماية الباليستية للمركبات والجنود. تتميز المواد المركبة المصنوعة من الألياف عالية الأداء بخفة وزنها وقوتها العالية ومقاومتها الباليستية الممتازة. وهي من أكثر المواد الباليستية بحثًا وأسرعها نموًا وأكثرها واعدة. تولي الدول المتقدمة عسكريًا، ممثلةً بالولايات المتحدة، اهتمامًا خاصًا لتطوير الألياف المضادة للصواريخ الباليستية عالية الأداء وموادها المركبة. وقد أجرت مؤسسات البحث العلمي الدفاعية الوطنية، مثل مختبر أبحاث الجيش الأمريكي والجامعات الممولة من وزارة الدفاع، العديد من الأبحاث في السنوات الأخيرة. تُقدم هذه المقالة بشكل رئيسي البحث والتطوير، وحالة التطبيقات، ومستوى الأداء لألياف الأراميد وألياف الكربون وألياف PBO في الخارج.
1. ألياف الأراميد
تتميز ألياف الأراميد بقوة نوعية عالية واستطالة عالية عند الكسر. عند نفس كثافة السطح، تكون المقاومة الباليستية لمركبات الأراميد/الراتنج ضعفين إلى ثلاثة أضعاف مقاومة مركبات الألياف الزجاجية/الراتنج. ويمكن استخدامها في العديد من المجالات. استبدال شامل لمركبات الألياف الزجاجية/الراتنج.
تستخدم مؤسسات مثل مختبر أبحاث الجيش المشترك بجامعة كليمسون في الولايات المتحدة الأمريكية طريقة العناصر المحدودة التقليدية لإجراء تحليل عددي لسجادة الألياف المضادة للرصاص، وذلك لتحديد مقاومة اختراق المادة، والانحراف الكلي، والتشوه، والاستجابة للضرر عند الاصطدام. وقد حسّن باحثو الفريق وطوّروا نموذج حساب وتحليل الحماية من الصدمات/الانفجارات الباليستية للمركبات ذات مصفوفة البوليمر المقواة بالألياف المنسوجة المسطحة. في عام ٢٠١٤، دُرست العلاقة بين البنية الدقيقة وأداء المواد القائمة على PPTA (بولي-بارا-فينيلين تيريفثالاميد)، وطُوّرت طريقة حساب بمقياس متعدد الأطوال لتحديد تأثير مختلف السمات الدقيقة على مقاييس مختلفة على اللباد القائم على PPTA. تأثير القماش أو مركبات مصفوفة البوليمر المقواة بألياف PPTA على مقاومة الاختراق الباليستية العيانية.
قام كاسينو في إيطاليا وجامعة جنوب لاتسيو بدمج لباد منسوج عادي مع راتنج حراري التصلب لصنع صفائح، وأُجريت اختبارات التنبؤ بالنموذج العددي ووكر والأداء الباليستي على الدروع المركبة المُجهزة. استخدم مختبر أبحاث الجيش الأمريكي وآخرون خيط نايلون شفاف أحادي الشكل على شكل شريط مسطح كتعزيز، وأعدوا مادة مركبة ذات نفاذية ضوء تبلغ حوالي 40% باستخدام راتنج إيبوكسي شفاف يطابق معامل انكساره كمصفوفة. أظهر الاختبار الباليستي للمادة أن قيمة V50 للمادة الناتجة أكبر من 305 متر/ثانية، وهي أعلى بكثير من قيمة راتنج الإيبوكسي والبولي كربونات.
درس مختبر سانديا الوطني بالولايات المتحدة تأثير الالتواء على خصائص التأثير العرضي لخيوط الألياف المرنة، وقاس سرعة موجة قص أويلر الناتجة عن التأثير باستخدام كاميرا عالية السرعة. أظهرت النتائج أن سرعة موجة قص أويلر تزداد مع عدد الالتواءات في خيوط الألياف، مما يعني أداءً باليستيًا أعلى. لذلك، يمكن أن يؤدي استخدام خيوط الألياف الملتوية في حصائر الألياف الباليستية إلى تحسين الخصائص الباليستية للمادة. تمت دراسة تأثير المجال المغناطيسي على الخصائص الباليستية لألياف الأراميد وألياف البولي إيثيلين ذات الوزن الجزيئي العالي للغاية. وضع الباحثون ألياف الأراميد وألياف البولي إيثيلين ذات الوزن الجزيئي العالي للغاية بين مجموعتين من مغناطيسات الأرض النادرة المتقابلة لاختبار تأثير تنافر المجال المغناطيسي على الخصائص الباليستية للمواد. أظهرت النتائج أن التنافر المغناطيسي يمكن أن يمنع الرصاص من دخول اللوحة الأمامية لألياف الأراميد.
سيؤدي التعديل النانوي لألياف الأراميد أو الحشو النانوي لموادها المركبة إلى تحسين الخواص الباليستية. عزز الباحثون قوة واجهة الألياف من خلال زراعة أسلاك نانوية عمودية من أكسيد الزنك على سطح الألياف. قوة واجهة الألياف أعلى بنسبة 96.9% من قوة الألياف العارية، ويزداد الحمل الأقصى لاختبار السحب بمقدار 6.5 مرة. تُحسّن أسلاك أكسيد الزنك النانوية أداء سحب الألياف، مما يزيد بدوره من مستوى حماية المادة من الصدمات الباليستية.
درس الباحثون تأثير حشوات الجسيمات النانوية على المركبات المقاومة للصدمات، وأجروا اختبارات باليستية باستخدام تقنية V50 على مركبات ألياف مملوءة بألياف كربون مطحونة وجسيمات نانوية (أنابيب نانوية كربونية وجسيمات مطاطية من القلب والقشرة). أظهرت النتائج أن حشو جسيمات المطاط النانوية فعال في امتصاص الطاقة أثناء الاصطدام بسبب تأثير التجويف، كما يُحسّن الأداء الباليستي بشكل ملحوظ. تُحسّن حشوات أنابيب الكربون النانوية أداء واجهة الألياف المصفوفة، وتُحسّن الأداء الباليستي بشكل ملحوظ. يُعزز هذان العاملان الأداء المضاد للرصاص بتقنية V50 للمادة المركبة. يمكن أن تؤدي إضافة 1% من كتلة ألياف الكربون المطحونة وإضافة 1% من الجسيمات النانوية إلى المادة المركبة إلى زيادة V50 بنسبة 7.3% (أنابيب نانوية كربونية) و8% (جسيمات مطاطية من القلب والقشرة) مقارنةً بالعينة المرجعية، على التوالي.
2. ألياف الكربون
عادةً ما يكون معامل يونغ لألياف الكربون أكثر من ثلاثة أضعاف معامل ألياف الزجاج التقليدية، وله تطبيقات مهمة في تخفيف المعدات العسكرية وتحسين قابلية البقاء. في عام 2015، طوّر معهد جورجيا للتكنولوجيا في الولايات المتحدة عملية جديدة لإعداد ألياف الكربون المستمرة المغزولة بالهلام بناءً على تقنية غزل بولي أكريلونيتريل (PAN). يتراوح متوسط قوة الشد لألياف الكربون المحضرة القائمة على PAN بين 5.5 و5.8 جيجا باسكال، ويتراوح معامل الشد بين 354 و375 جيجا باسكال، وهو أعلى بنسبة 25% إلى 36% من معامل الشد لألياف الكربون القائمة على PAN من النوع IM7 والمستخدمة على نطاق واسع في صناعة الطيران. مزيج ذو أعلى قيمة. في المستقبل، من خلال تحسين المواد والعمليات، سيتم تحسين قوة ومعامل ألياف الكربون القائمة على PAN في وقت واحد.
3. ألياف PBO
طُوِّرت ألياف PBO في الأصل من قِبل القوات الجوية الأمريكية، ثم صُنعت منتجاتها لاحقًا بواسطة شركات يابانية. تُعرف ألياف PBO بأنها ألياف مستقبلية فائقة الأداء، قادرة على استبدال ألياف الأراميد. تتميز هذه الألياف بكثافة أقل من ألياف الأراميد، إلا أن خصائصها الميكانيكية ومقاومتها للبيئة تتفوق بكثير على ألياف الأراميد الأخرى.
في عام ٢٠٠٦، وقّعت جامعة كاليفورنيا عقدًا مع الجيش الأمريكي لإجراء اختبارات باليستية لتحديد الأداء الباليستي لألياف زيلون. أظهرت النتائج أن أداء ألياف زيلون يتفوق على أداء كيفلر ٢٩، وعند استخدامها في الدروع، تُحسّن أداء الحماية والمرونة بشكل فعال. على الرغم من أن ألياف PBO تتميز بخفة وزنها وقوتها العالية ومعامل المرونة العالي، إلا أنها محدودة بتدهور خصائصها الميكانيكية أثناء استخدامها في التطبيقات الوقائية. ولحل هذه المشكلة، طوّر الباحثون عملية معالجة لاحقة باستخدام انتشار الكواشف الكيميائية لثاني أكسيد الكربون فوق الحرج لمعالجة ألياف PBO، وذلك لتقليل معدل تدهور خصائصها الميكانيكية وإطالة عمرها الافتراضي. قام باحثون من جامعة ماساتشوستس أمهرست بدراسة تثبيت ألياف PBO بعد المعالجة اللاحقة بثاني أكسيد الكربون فوق الحرج، باستخدام ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج كمستخرج لاستخراج حمض الفوسفوريك المتبقي والماء على ألياف PBO، واستخدامه كوسيلة لإدخال مجموعة متنوعة من المادة التي تحيد حمض الفوسفوريك وتضعف تأثير تحلل الماء والحمض على ألياف PBO.
يمكن أن يكون تصفيح الألياف الباليستية عاملاً في تدهور الأداء. درس الباحثون تأثير الطي على تدهور أداء ألياف PBO الباليستية، وحددوا تجريبياً تأثير آلية الانهيار هذه على أداء حماية الدروع. كما بحثوا بعمق تأثير الطي على البنية الداخلية للألياف المرنة. أجرى الباحثون اليابانيون العديد من الأبحاث على ألياف PBO. على سبيل المثال، درسوا المعالجة الحرارية لتحسين قوة الشد والتعب لألياف PBO عالية معامل المرونة، ودرسوا تأثير معدل القص على قوة الشد لألياف PBO عالية معامل المرونة.
