Hybride Composite Armour Systems with Advanced Ceramics and Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) Fibres

• Autorzy: Fejdyś M. , Kośla K. , Kucharska-Jastrząbek A. , Landwijt M.

Identyfikatory

DOI

10.5604/12303666.1196616

Warianty tytułu

PL

Hybrydowe, kompozytowe układy balistyczne z zaawansowaną ceramiką i włóknami UHMWPE

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the research was to develop a new concept of hybride composite armour systems consisting of a ceramic and fibrous composite. Depending on the requirements for ballistic protection, armour systems may be designed to various configurations and weights based on the most suitable ceramic materials and backing. The article describes the development of a hybrid ceramic - multi-layered ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) composite armour made from silicon carbide (SiC) or aluminium oxide (Al2O3) of different thicknesses (3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 17.27 and 13.35 mm) and shapes (hexagonal and cylindrical) in combination with a polyethylene fibrous composite. Additionally research work developed a confinement system for the hybrid ceramic - multi-layered UHMWPE composite armour which significantly improves the ballistic performance of composite armour by creation of a uniform compression condition of the ceramic and by reducing its fragmentation upon impact. The ballistic armour strength was tested according to the PN-V-87000:2011, NIJ 0101.04 standard and NATO STANAG 4569 (AEP-55 Vol.1) standard for protection against more than one shot (multi-hit). The hybrid ceramic - multi-layered UHMWPE composite armour was combined with basic fibrous ballistic armours which exhibited a ballistic strength compatible with level IIIA according to the NIJ 0101.04 standard and classes K2 and O3 according to the PN-V-87000: 2011 standard.

PL

Celem badań było opracowanie nowej koncepcji hybrydowych, kompozytowych układów balistycznych na bazie ceramiki oraz kompozytów włóknistych. W zależności od wymagań ochrony balistycznej, układy balistyczne projektowano w różnych konfiguracjach i masach, wykorzystując odpowiednie materiały ceramiczne i te przeznaczone na tylną cześć pancerza. W artykule przedstawiono wyniki prac mające na celu opracowanie hybrydowych ceramiczno-polietylenowych kompozytów balistycznych wykonanych z ceramiki na bazie węglika krzemu (SiC) i tlenku glinu (Al2O3) o różnej grubości (3.0 mm, 3.5 mm 4.0 mm, 4.5 mm, 17.27mm, 13.35 mm) oraz kształcie (heksagonalny i cylindryczny), w połączeniu z włóknistym kompozytem polietylenowym. Dodatkowo praca badawcza doprowadziła do opracowania systemu zabezpieczającego hybrydowe ceramiczno-polietylenowe kompozyty balistyczne, który znacząco poprawił skuteczność balistyczną pancerzy kompozytowych poprzez wytworzenie jednorodnych warunków kompresji ceramiki, a także dzięki zmniejszeniu jej fragmentacji po uderzeniu. Badania odporności balistycznej pancerzy prowadzono zgodnie z normą PN-V-87000:2011, NIJ 0101.04 oraz procedurą badawczą opartą na normie NATO STANAG 4569 (AEP-55 Vol.1) w zakresie ochrony przed więcej niż jednym strzałem (multi-hit). Badania balistyczne hybrydowych ceramiczno-polietylenowych kompozytów balistycznych prowadzono w zestawieniu z opracowanymi podstawowymi włóknistymi pancerzami balistycznymi, wykazującymi odporność balistyczną zgodną z poziomem IIIA normy NIJ 0101.04 oraz klasami K2 i O3 wg PN-V-87000:2011.

Słowa kluczowe

EN

composite armour; bullet proof vest; multi-hit; nonoxide ceramics; silicon carbide; SiC; aluminium oxide (Al2O3); ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fibres

PL

kompozyty włókniste; kamizelka kuloodporna; węglik krzemu; SiC; tlenek glinu; AI2O3

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Łódzki Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Fibres & Textiles in Eastern Europe
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 24, no. 3 (117)
• Strony: 79--89
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Fejdyś M.

• Institute of Security Technology MORATEX, Łódź, Poland

autor

Kośla K.

• Institute of Security Technology MORATEX, Łódź, Poland

autor

Kucharska-Jastrząbek A.

• Institute of Security Technology MORATEX, Łódź, Poland

autor

Landwijt M.

• Institute of Security Technology MORATEX, Łódź, Poland

Bibliografia

• 1. den Reijer PC. Impact on ceramic faced armour, PhD Thesis, Delft Technical University, The Netherlands, 1991.
• 2. Paris V, Frage N, Dariel MP and Zaretsky E. The spall strength of silicon carbide and boron carbide ceramics processed by spark plasma sintering. International Journal of Impact Engineering 2010; 37: 1092-1099.
• 3. Burger D, de Faria AR, de Almeida SFM and de Melo FCL. Ballistic impact simulation of an armour-piercing projectile on hybrid ceramic/fibre reinforced composite armours. International Journal of Impact Engineering 2012; 43: 63-77.
• 4. Anderson CE and Morris BL. The Ballistic performance of confined Al2O3 ceramic tiles. International Journal of Impact Engineering 1992; 12: 167 - 187.
• 5. Kumar KS and Bhat T. Response of composite laminates on impact of high velocity projectiles. Key Engineering Materials 1998; 141-1: 337-348.
• 6. Shokrieh MM and Javadpour GH. Penetration analysis of a projectile in ceramic composite armor. Composite Structures 2008; 82: 269 - 276.
• 7. Vaidya UK, Deka LJ and Bartus SD. Damage evolution and energy absorption of Eglass/polypropylene laminates subjected to ballistic impact. Journal of Materials Science 2008; 43: 399 - 410.
• 8. Yadav S and Ravichandran G. Penetration resistance of laminated ceramic/polymer. International Journal of Impact Engineering 2003; 28: 557-574.
• 9. Medvedovsky E. Lightweight ceramic composite armour system. Advances in Applied Ceramics 2006; 105(5): 241–245.
• 10. Ashby MF and Jones DRH. Engineering materials 2: An introduction to microstructures, processing and design. Oxford: Pergamon, 1988.
• 11. Internal data, CTA, Arcueil, France, 2002.
• 12. Hazell PJ, Roberson and Moutinho M. The design of mosaic armour: The influence of tile size on ballistic performance. Materials and Design 2008; 29: 1497–1503.
• 13. Florence AL. Interaction of projectiles and composite armour – Part II, Report AMRA CR 67–05 (F). Stanford Research Institute, 1969.
• 14. Woodward RL, Gooch WA, O’Donnell RG, Baxter BJ, Pattie SD. A study of fragmentation in the ballistic impact of ceramics. International Journal of Impact Engineering 1994; 15 (5): 605–618.
• 15. Woodward RL, O’Donnel RG, Baxter BJ, Nicol B and Pattie SD. Energy absorption in the failure of ceramic composite armours. Materials Forum 1989; 13:174-181.
• 16. Bless SJ and Jurick DL. Design for multi-hit protection. International Journal of Impact Engineering 1998; 21: 905–908.
• 17. de Rosset WS. Patterned armour performance evaluation. International Journal of Impact Engineering 2005; 31: 1223–1234.
• 18. Sherman D. Impact failure mechanisms in alumina tiles on finite thickness support and the effect of confinement. International Journal of Impact Engineering 2000; 24: 313–328.
• 19. Partom Y and Littlefield DL. Validation and calibration of a lateral confinement model for long-rod penetration at ordnance and high velocities. International Journal of Impact Engineering 1995; 17:615–626.
• 20. Lynch NJ, Bless SJ, Cullis IG and Berry D. The influence of confinement on the penetration of ceramic targets by KE projectiles at 1.8 and 2.6 km/s. International Journal of Impact Engineering 2006; 33: 390–401.
• 21. James B. Depth of penetration testing, In: McCauley JW, Crowson A, Gooch Jr WA, Rajendran AM, Bless SJ and Logan KV. Ceramic armour materials by design, Ceramic transactions 2002; 134:165–172.
• 22. Normandia MJ and Gooch WA. An overview of ballistic testing methods of ceramic materials. In: McCauley JW, Crowson A, Gooch Jr WA, Rajendran AM, Bless SJ and Logan KV. Ceramic armour materials by design, Ceramic transactions 2002; 134: 113–138.
• 23. Michael C and Kibbutz KE. Ceramic bodies for use in composite armour. Patent 5,972,819, USA, 1999.
• 24. Riou P. Contribution a l’etude de l’endommagement du carbure de siliciumlors d’un impact de basseenergie :application aux blindages. PhD Thesis, Ecole Nationale Superieure des Mines de Paris, France, 1996.
• 25. PBM-33/ITB:2009. Metody badania elementów konstrukcyjnych ochron balistycznych.
• 26. PBM-17/ITB:2008. Tworzywa sztuczne. Wyznaczanie masy powierzchniowej.
• 27. PN-EN ISO 2286-1:2000. Płaskie wyroby tekstylne powleczone gumą lub tworzywami sztucznymi - Wyznaczanie właściwości zwoju - Metody wyznaczania długości, szerokości i masy netto.
• 28. PN-EN ISO 2286-2:1999. Płaskie wyroby tekstylne powleczone gumą lub tworzywami sztucznymi - Wyznaczanie właściwości zwoju - Metody wyznaczania całkowitej masy powierzchniowej, masy powierzchniowej powleczenia i masy powierzchniowej podłoża.
• 29. PN-EN ISO 2286-3:2000. Płaskie wyroby tekstylne powleczone guma lub tworzywami sztucznymi. Wyznaczanie właściwości zwoju. Metoda wyznaczania grubości.
• 30. PN-EN ISO 1421/1:2001. Płaskie wyroby tekstylne powleczone gumą lub tworzywami sztucznymi - Wyznaczanie wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia przy zerwaniu.
• 31. PN-EN ISO 4674-1:2005. Płaskie wyroby tekstylne powleczone gumą lub tworzywami sztucznymi - Wyznaczanie odporności na rozdzieranie - Część 1.
• 32. PN-EN ISO 1923:1999. Tworzywa sztuczne porowate i gumy - Oznaczanie wymiarów liniowych.
• 33. PN-V-87000:2011. Osłony balistyczne lekkie. Kamizelki kulo- i odłamkoodporne. Wymagania ogólne i badania.
• 34. NIJ 0101.04. Ballistic resistance of personal Body Armor.
• 35. NATO STANAG 4569 (AEP-55 Vol.1). Protection levels for occupants of logistic and light armoured vehicles.
• 36. STANAG 4172. The adoption of the 5.56x45mm NATO round as the standard chambering of all NATO service rifles.
• 37. Witek A, Osuchowski M, Oziębło A, Perkowski K, Witosławska I, Konopka G, Mechanizm pękania ceramicznych materiałów balistycznych. MATERIAŁY CERAMICZNE 2012; 64(3): 367-370.
• 38. Fejdyś M. at al. Kompozyt balistyczny o zwiększonej odporności na wielokrotne uderzenie pociskiem. Patent application P.413587, Poland, 2015

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.