Capacetes à prova de balas usam fibras aprimoradas.

As fibras de poliamida aromática usadas no campo da proteção balística incluem principalmente para-aramida (aramida 2) e aramida heterocíclica (aramida 3).

A para-aramida foi aplicada pela primeira vez pelo Exército dos EUA no campo da proteção balística. Eles usaram a para-aramida como uma fibra de reforço para desenvolver materiais compostos, substituindo materiais metálicos para a fabricação de capacetes à prova de balas. A prática mostrou que, devido às excelentes propriedades da própria para-aramida, como ultra-alta resistência, alto módulo e baixa densidade, o desempenho balístico de seus materiais compostos é significativamente melhor do que o dos capacetes de aço, ao mesmo tempo em que alcança capacetes leves à prova de balas.

Atualmente, os capacetes à prova de balas mais amplamente usados ​​no mundo ainda são feitos de para-aramida. No entanto, a para-aramida também tem certos defeitos. Por exemplo, sob exposição à luz ultravioleta, as cadeias macromoleculares da para-aramida se quebrarão, levando a uma diminuição significativa no desempenho de proteção. Atualmente, os produtos de para-aramida produzidos industrialmente incluem principalmente Kevlar da DuPont nos Estados Unidos, Twaron da Teijin no Japão, Heracron da Kolon na Coreia do Sul e Taparon da Yantai Tayho Advanced Materials Co., Ltd. na China.

A modificação estrutural da para-aramida pode ser realizada pela introdução da estrutura benzimidazol para desenvolver aramida heterocíclica. A aramida heterocíclica não só tem melhores propriedades mecânicas do que a para-aramida, mas também melhora as deficiências da baixa resistência da para-aramida à luz ultravioleta, expandindo assim sua faixa de aplicação. A China desenvolveu capacetes à prova de balas feitos de aramida heterocíclica. Comparado com capacetes de para-aramida com o mesmo nível de proteção, seu peso pode ser reduzido em 20% a 30%.

A fibra UHMWPE surgiu na década de 1970. Sua resistência à tração é a mais alta entre todas as fibras industrializadas de alto desempenho. Sua resistência excede a da aramida e sua densidade é menor que a da aramida.

No início do século XXI, para reduzir ainda mais a massa de capacetes à prova de balas, o Exército dos EUA começou a usar fibra UHMWPE para pesquisar e desenvolver capacetes à prova de balas. Como a fibra UHMWPE não tem grande força entre as moléculas da fibra e nenhum grupo ativo na superfície, é difícil formar uma boa interface de ligação com a matriz quando usada como reforço composto. Portanto, é mais frequentemente feita em tecidos UD. Karthikeyan et al. usaram fibra UHMWPE e poliuretano para preparar tecidos UD e descobriram que o tecido UD com um padrão de laminação de 0 grau /90 grau tem o melhor desempenho balístico.

Atualmente, também há estudos sobre modificação de superfície de fibras UHMWPE para melhorar as propriedades de ligação da interface com a matriz de resina. Os experimentadores usaram uma variedade de métodos físicos e químicos para modificar fibras UHMWPE. O estudo descobriu que diferentes métodos de modificação têm suas próprias vantagens e desvantagens: o método de tratamento elétrico pode atingir o tratamento de modificação contínua, mas o desempenho de ligação de superfície da fibra UHMWPE tratada A atenuação é séria; o método de tratamento de plasma tem um efeito de modificação significativo, mas é caro e difícil de processar continuamente; o método de corrosão química não é ecologicamente correto e pode facilmente danificar as propriedades mecânicas da própria fibra; o método de modificação de fotoenxerto de superfície tem pouco impacto nas propriedades da fibra e na modificação A adesão da superfície da fibra pós-fibra é significativamente melhorada, mas há problemas como alto custo e dificuldade no processamento contínuo.

Além disso, a resistência à fluência da fibra UHMWPE é baixa, e os produtos à prova de balística feitos a partir delas terão sérios amassados ​​posteriores após serem impactados pela balística. Ou seja, a parte traseira do material à prova de balística será amassada após ser deformada pelo impacto de uma ogiva. Em resposta a essa situação, o módulo de tração da fibra UHMWPE é aumentado aumentando o peso molecular relativo e alterando o processo de elaboração, e reduz o problema de concavidade posterior em seus produtos.

A fibra PBO é um material de reforço composto desenvolvido nos Estados Unidos na década de 1980 para o desenvolvimento da indústria aeroespacial.

Comparando a absorção de energia de materiais compostos de fibra PBO, fibra de aramida, fibra de poliarilacetato e fibra de carbono, descobriu-se que os materiais compostos de PBO podem absorver mais energia em impactos penetrantes e têm grande potencial no campo de absorção de energia à prova de balas.

Além disso, a resistência à fluência e o módulo da fibra PBO também excedem os da maioria das fibras de alto desempenho usadas na área à prova de balas.

No entanto, a fibra PBO também tem alguns problemas como fibra de reforço para materiais compostos, como intolerância a raios ultravioleta, baixa resistência à compressão e baixo desempenho de ligação com a interface de resina. Portanto, não é amplamente usada no campo à prova de balas.

As estruturas moleculares das fibras PIPD e PBO são mostradas na Figura 4. Pode-se observar que as estruturas moleculares das duas são semelhantes, mas a estrutura de grade de ligação de hidrogênio tridimensional exclusiva da fibra PIPD proporciona melhor desempenho de ligação de interface, desempenho de compressão axial e maior módulo de tração.

Uma comparação dos principais parâmetros de desempenho de diversas fibras comuns de alto desempenho é mostrada na Tabela 1.

Com o desenvolvimento e as mudanças dos tempos, as pessoas têm requisitos cada vez maiores para o desempenho à prova de balas de capacetes à prova de balas, e materiais compostos reforçados com fibras simples não podem mais atender às necessidades de proteção dos produtos. Várias fibras de alto desempenho têm características diferentes, então os sistemas de fibras híbridas têm gradualmente atraído a atenção. A hibridização é a mistura de fibras de alto desempenho com características diferentes para preparar materiais compostos, o que pode dar aos materiais compostos melhores propriedades. Uma boa proporção de mistura de fibras e um sistema estrutural híbrido podem melhorar muito a resistência balística de materiais compostos.

Os testadores misturarão para-aramida e aramida heterocíclica em diferentes proporções e usarão materiais compostos contendo aramida heterocíclica como superfície balística e superfície posterior para conduzir testes de desempenho balístico.

Os resultados mostram que quando o material composto contendo aramida heterocíclica é usado como superfície balística, a velocidade limite balística V50 é maior, e isso é mais óbvio quando a fração de massa de aramida heterocíclica no composto é de 30% a 70%. À medida que a quantidade de aramida heterocíclica aumenta, a deformação do capacete à prova de balas após ser atingido diminui. Os testadores usaram materiais compostos de UHMWPE e materiais compostos de fibra de para-aramida como superfície balística e superfície traseira, respectivamente, para testar o desempenho balístico. Os resultados mostraram que quando o material composto de UHMWPE foi usado como superfície de ponta esférica e o material composto de para-aramida foi usado como lado traseiro, quando o desempenho de proteção balística é ótimo, a proporção de massa dos compostos de UHMWPE e compostos de para-aramida é 50:50;

Quando o material composto de para-aramida é usado como superfície frontal e o material composto de UHMWPE é usado como superfície traseira, a proporção de massa do material composto de UHMWPE e do material composto de para-aramida é de 70:30 quando o desempenho da proteção balística é ótimo; a proporção de massa do material composto de estrutura híbrida O desempenho balístico é melhor do que o de materiais compostos de fibra única.

Compósitos de fibra de carbono foram usados ​​como superfície balística, e compósitos de fibra de vidro e compósitos de para-aramida foram usados ​​como superfície traseira para preparar tecidos compostos híbridos. Após testes, foi descoberto que a resistência balística dos materiais compostos obtidos era melhor do que a fibra de carbono pura, fibra de vidro pura e compósito de fibra única pura feito de para-aramida.

Atualmente, sistemas híbridos de fibra foram colocados em uso em grandes quantidades. Este sistema de fibra híbrida, que pode tirar vantagem de diferentes fibras de alto desempenho, pode ajudar a melhorar ainda mais o desempenho de proteção do equipamento de proteção balística.

(V50 se refere à velocidade de incidência da bala quando a probabilidade de penetração da bala no material de teste é de 50%. Ele quantifica o desempenho à prova de balas do material e é um índice de referência para avaliar o desempenho à prova de balas do material. Quanto maior o V50, melhor o desempenho à prova de balas do material.)