Effect of Accelerated Ageing on the Ballistic Resistance of Hybrid Composite Armour with Advanced Ceramics and UHMWPE Fibres

• Autorzy: Fejdyś Marzena , Kucharska-Jastrząbek Agnieszka , Kośla Katarzyna

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0013.0748

Warianty tytułu

PL

Wpływ procesów przyspieszonego starzenia hybrydowych kompozytowych wkładów balistycznych, na bazie ceramiki specjalnej oraz włókien UHMWPE, na ich odporność balistyczną

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The main objective of this complex study was to evaluate the durability of newly developed ballistic inserts designed using ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) fibres and advanced ceramics (Al₂O₃ or SiC). The forecasting of changes in the properties of the newly developed ballistic system is related to safe use and reliable construction, and requires ageing tests to be carried out in natural conditions. Due to the length of this process, a program of tests was developed for simulated use of the composite ballistic inserts under conditions of accelerated ageing, taking into account the 6-year lifespan of these products, which is in accordance with the PN-V-87000:2011 standard. As part of the research work, the new ballistic inserts were tested, and also ones subjected to laboratory ageing for 50, 100, 150 days, which corresponded to 2.2, 4.3 & 6.5 years of ageing in real conditions. The samples selected were verified in terms of ballistic and mechanical behaviour as well as changes in their chemical structure. Changes in the microstructure of the ballistic materials were evaluated using DSC analysis as well as infrared spectroscopy (FTIR-ATR).

PL

Głównym celem realizowanych prac była ocena trwałości nowoopracowanych wkładów balistycznych wykonanych z wysokowytrzymałego materiału na bazie polietylenu o bardzo dużym ciężarze cząsteczkowym (UHMWPE) oraz heksagonalnej ceramiki (Al₂O₃, SiC). Prognozowanie zmian właściwości nowoopracowanych wyrobów balistycznych związane jest z bezpieczeństwem użytkowania oraz niezawodnością konstrukcji i wymaga przeprowadzenia badań starzeniowych w warunkach naturalnych. Ze względu na długotrwałość tego procesu opracowano program badań symulacji użytkowania kompozytowych wkładów balistycznych w warunkach przyspieszonego starzenia, uwzględniający 6-letni okres użytkowania tych wyrobów, zgodnie z normą PN-V-87000:2011. W ramach pracy przeprowadzono badania nowych wkładów balistycznych, jak również poddanych starzeniu laboratoryjnemu. Wkłady balistyczne poddano działaniu przyspieszonego starzenia w czasie 50, 100, 150 dni, co odpowiadało 2,2, 4,3, 6,5 latom naturalnego starzenia. Dla wytypowanych próbek zostały przeprowadzone badania: właściwości balistycznych i mechanicznych oraz zmian ich struktury chemicznej. Zmiany w strukturze materiałów balistycznych oceniono za pomocą metod: analizy termicznej DSC, spektroskopii w podczerwieni (FTIR-ATR).

Słowa kluczowe

EN

accelerated ageing; ballistic system; ultra-high molecular weight polyethylene; fibres; UHMWPE; hybrid composite

PL

przyspieszone starzenie; system balistyczny; polietylen o bardzo dużym ciężarze cząsteczkowym; UHMWPE; kompozyt hybrydowy

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Łódzki Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Fibres & Textiles in Eastern Europe
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 28, no. 1 (139)
• Strony: 71--80
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Fejdyś Marzena

• Institute of Security Technologies MORATEX, M. Skłodowskiej-Curie 3, 90-505 Lodz, Poland

autor

Kucharska-Jastrząbek Agnieszka

• Institute of Security Technologies MORATEX, M. Skłodowskiej-Curie 3, 90-505 Lodz, Poland

autor

Kośla Katarzyna

• Institute of Security Technologies MORATEX, M. Skłodowskiej-Curie 3, 90-505 Lodz, Poland

Bibliografia

• 1. Van Dingenen JLJ. High-performance fibers. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2004.
• 2. Chabba S, van Es M, van Klinken E, Jongedijk M, Vanek D, Gijsman P, et al. Accelerated ageing study of ultra-high molecular weight polyethylene yarn and unidirectional composites for ballistic applications. Journal of Materials Science 2007; 42: 2891-2893.
• 3. Andreia LSA, Lucio FCN, Joao CMS. Influence of weathering and gamma irradiation on the mechanical and ballistic behaviour of UHMWPE composite armour. Polymer Testing 2005; 24: 104-113.
• 4. Burger D, de Faria AR, de Almeida SFM, de Melo FCL. Ballistic impact simulation of an armour-piercing projectile on hybrid ceramic/fiber reinforced composite armours. International Journal of Impact Engineering 2012; 43: 63-77.
• 5. Vaidya UK, Deka LJ, Bartus SD. Damage evolution and energy absorption of Eglass/polypropylene laminates subjected to ballistic impact. Journal of Materials Science 2008; 43: 399-410.
• 6. Medvedovsky E. Lightweight ceramic composite armour system. Advances in Applied Ceramics 2006; 105(5): 241-245.
• 7. NIJ Standard – 0101.06. Ballistic Resistance of Personal Body Armou. July 2008.
• 8. PN-V-87001:2011. Light ballistic armour. Bullet- and fragment-proof protective helmets. Requirements and testing.
• 9. Chabba S, V Es M, V Klinken EJ, Jongedijk MJ, et al. Accelerated ageing study of ultrahigh molecular weight polyethylene yarn and unidirectional composites for ballistic applications. J Mater Sci 2007; 42: 2891-2893.
• 10. Padovani M, Meulman JH, Louwers D. Effect of real ageing on ballistic articles made of Dyneema® UD. In: Personal Armour Systems Symposium PASS 2012, Nuremberg, Germany, 17-21 September 2012, ISBN:978-3-935938-93-8.
• 11. Meulman JH. Ballistic performance of articles, made with Dyneema®, at elevated temperatures, extreme for body armour – part 2. In: Personal Armour Systems Symposium PASS 2012, Nuremberg, Germany, 17-21 September 2012, ISBN:978-3-935938-93-8.
• 12. Forster AL, et al. Development of soft armour conditioning protocols for NIJ standard NIJ 0101.06: Analytical results, National Institute of Standards and Technology NISTIR 7627.
• 13. Fejdyś M, Łandwijt M, Struszczyk MH; Effect of Accelerated Ageing Conditions on the Degradation Process of Dyneema® Polyethylene Composites. FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe 2011, Vol. 19, No. 1 (84) pp. 60-65.
• 14. Fejdyś M, Cichecka M, Łandwijt M, Struszczyk MH. Prediction of the Durability of Composite Soft Ballistic Inserts. FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe 2014; 22, 6(108): 81-89.
• 15. Dos Santos Alves AL, Nascimento LFC. Influence of weathering and gamma irradiation on the mechanical and ballistic behavior of UHMWPE composite armor. Polymer Testing 2005; 24: 104-113.
• 16. Chin JW, Petit S, Lin C-C, et al. Temperature and moisture effects on the accelerated ageing of UHMWPE and aramid ballistic fibers. In: Personal Armour Systems Symposium PASS 2012, Nuremberg, Germany, 17-21 September 2012, ISBN:978-3-935938-93-8.
• 17. Bourget D, Withnall C, Palmer S, Rice K, Swann S. Aged body armour testing: further results. In: Personal Armour Systems Symposium PASS 2012, Nuremberg, Germany, 17-21 September 2012, ISBN:978-3-935938-93-8.
• 18. Buchanan FJ, White JR, Sim B, et al. The influence of gamma irradiation and ageing on degradation mechanisms of ultra-high molecular weight polyethylene. J Mater Sci Materials in Medicine 2001; 12: 29-3.
• 19. Rocha M, Mansur A, Mansur H. FTIR investigation of UHMWPE oxidation submitted to accelerated ageing procedure. Macromolecular Symposia 2010; 296: 487-492.
• 20. Fejdyś M, Kośla K, Kucharska-Jastrząbek A, Łandwijt M. Hybride Composite Armour Systems with Advanced Ceramics and Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) Fibres. FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe 2016; 24, 3(117): 79-89. DOI: 10.5604/12303666.1196616.
• 21. ASTM F1980-07. Accelerated ageing of sterile barrier systems for medical devices.
• 22. PN-EN ISO 1421/1:2001. Rubber – or plastics-coated fabrics – Determination of tensile strength and elongation at break (ISO 1421:1998).
• 23. PN-EN ISO 2039-2:2002. Tworzywa sztuczne – Oznaczanie twardości – Część 2: Rockwell hardness.
• 24. PN-EN ISO 843-4:2007P. Advanced technical ceramics – Mechanical properties of monolithic ceramics at room temperature – Part 4: Vickers, Knoop and Rockwell superficial hardness (EN 843-4:2005).
• 25. Wieczorkowska G, Kochański P, Eljaszuk M. Statystyka – wprowadzenie do analizy danych sondażowych i eksperymentalnych. Wydawnictwo Naukowe Scholar: Warszawa, 2003, p.190-193 and 496-497.
• 26. Tidjani A. Photooxidation of polypropylene under natural and accelerated weathering conditions. Journal of Applied Polymer Science 1998; 64: 2497-2503.
• 27. Tidjani A, Arnaud R, Dasilva A. Natural and accelerated photoaging of linear low‐density polyethylene: Changes of the elongation at break. Journal of Applied Polymer Science 1993; 47: 211-216.
• 28. Bernède JC, Trégouet Y, Gourmelon E, Martinez F, Neculqueo G. On the degradation of some thiophene oligomers after doping by ion chloride. Polymer Degradation and Stability 1997; 56: 55-64.
• 29. Rabello MS, White JR. The role of physical structure and morphology in the photodegradation behavior of polypropylene. Polymer Degradation and Stability 1997; 56: 55-73.
• 30. Karthikeyan K, Russell BP, Fleck NA, Wadley HNG, Deshpande VS. The effect of shear strength on the ballistic response of laminated composite plate. European Journal of Mechanics A/Solids 2013; 42: 35-53.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).