Σύνθετα υλικά και εφαρμογές αυτών στη θωράκιση

Transcript

1 Σύνθετα υλικά και εφαρμογές αυτών στη θωράκιση Διονύσης Στεφανάτος Ειδικός Επιστήμονας, Στρατιωτική Σχολή Ευελπίδων 1. Εισαγωγή Τα σύνθετα υλικά [1] είναι δομικά υλικά που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα συστατικά συνδυασμένα σε μακροσκοπικό επίπεδο και όχι διαλυτά το ένα στο άλλο. Το ένα συστατικό, επονομαζόμενο και ενισχυτική φάση (reinforcing phase), είναι ενσωματωμένο στο δεύτερο συστατικό, που ονομάζεται μήτρα (matrix). Το υλικό της ενισχυτικής φάσης μπορεί να είναι στη μορφή ινών, σωματιδίων ή νιφάδων, ενώ το υλικό μήτρας είναι συνήθως συνεχές. Παράδειγμα σύνθετου υλικού που βρίσκεται σε καθημερινή χρήση αποτελεί το οπλισμένο σκυρόδεμα, που είναι ενισχυμένο με χαλύβδινες ράβδους. Άλλο παράδειγμα είναι το fiberglass, όπου οι γυάλινες ίνες είναι εμφυτευμένες σε ρητίνη. Το υλικό αυτό χρησιμοποιείται για την κατασκευή θαλασσίων σκαφών και αεροσκαφών. Συνδυάζοντας δύο ή περισσότερα υλικά μπορεί να προκύψουν σύνθετα υλικά με καλύτερες ιδιότητες από αυτές των απλών. Π.χ., τα μέταλλά και τα κράματά τους δεν μπορούν πάντα να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις της σύγχρονης τεχνολογίας. Αναφέρουμε χαρακτηριστικά ότι τα υλικά που χρησιμοποιούνται στους δορυφόρους πρέπει να διατηρούν τις διαστάσεις τους ενώ εκτίθενται στο διάστημα σε αλλαγές της θερμοκρασίας από 160 έως 90. Η λειτουργία υπό αυτές τις ακραίες συνθήκες θέτει αυστηρούς περιορισμούς στο συντελεστή θερμικής διαστολής, που δεν μπορούν να ικανοποιηθούν από τα συνήθη μέταλλα, άλλα μόνο από σύνθετα υλικά όπως π.χ. ο συνδυασμός γραφίτη-εποξικής ρητίνης. Σε πολλές περιπτώσεις, η χρήση σύνθετων υλικών είναι πιο αποδοτική. Για παράδειγμα, στο εξαιρετικά ανταγωνιστικό περιβάλλον των αεροπορικών εταιριών, αναζητούνται συνεχώς τρόποι μείωσης της συνολικής μάζας του αεροπλάνου, χωρίς όμως να ελαττωθεί η σκληρότητα και η αντοχή των δομικών μερών του. Κάτι τέτοιο είναι εφικτό με την αντικατάσταση των συνήθων μεταλλικών κραμάτων από σύνθετα υλικά. Αν και το κόστος αυτών των υλικών μπορεί να είναι υψηλότερο, η ελάττωση του βάρους και η μείωση του κόστους καυσίμου που αυτή συνεπάγεται, κάνουν τη χρήση τους επικερδή. Μείωση του βάρος ενός εμπορικού αεροπλάνου κατά 0.5 kg μπορεί να εξοικονομήσει μέχρι περίπου 1400 l καυσίμου το χρόνο. Αυτό αποτελεί μεγάλο κίνητρο για τη χρήση σύνθετων υλικών, αν αναλογιστεί κανείς ότι τα καύσιμα συνεισφέρουν σημαντικά στο λειτουργικό κόστος των εμπορικών αερογραμμών. 2. Ταξινόμηση σύνθετων υλικών 2.1. Ταξινόμηση με βάση την ενισχυτική φάση Τα σύνθετα υλικά μπορούν να ταξινομηθούν με βάση τη γεωμετρία της ενισχυτικής φάσης στις ακόλουθες κατηγορίες: (1) σωματιδιακά (particulate), (2) νιφάδων (flake), και (3) ινών

2 (fiber). Παρακάτω περιγράφουμε τα χαρακτηριστικά κάθε κατηγορίας. Τα σωματιδιακά σύνθετα αποτελούνται από σωματίδια μέσα σε μήτρες κραμάτων και κεραμικών. Είναι συνήθως ισοτροπικά, δηλαδή παρουσιάζουν τις ίδιες ιδιότητες προς όλες τις κατευθύνσεις, γιατί τα σωματίδια προστίθενται στη μήτρα κατά τυχαίο τρόπο. Τα σωματιδιακά σύνθετα παρουσιάζουν πλεονεκτήματα όπως βελτιωμένη αντοχή, αυξημένη θερμοκρασία λειτουργίας, αντίσταση οξείδωσης κλπ. Παραδείγματα τέτοιων υλικών είναι τα σωματίδια αλουμινίου σε γόμμα και ο συνδυασμός χαλικιών, άμμου και τσιμέντου που δίνει το σκυρόδεμα. Τα σύνθετα νιφάδων αποτελούνται από επίπεδα ενισχυτικά ενσωματωμένα στο μητρικό υλικό. Τα συνήθη υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των νιφάδων είναι γυαλί, μίκα, αλουμίνιο, και άργυρος. Τα σύνθετα νιφάδων παρουσιάζουν πλεονεκτήματα όπως μεγαλύτερη αντίσταση στην κάμψη όταν υπό τη μορφή πλάκας στηρίζουν ένα βάρος, υψηλότερη αντοχή, και χαμηλό κόστος. Επειδή όμως δεν είναι εύκολο να δοθεί συγκεκριμένος προσανατολισμός στις νιφάδες, μόνο ένας περιορισμένος αριθμός τέτοιων υλικών είναι διαθέσιμος για χρήση. Τα σύνθετα υλικά ινών αποτελούνται από μητρικά υλικά ενισχυμένα με βραχείς (ασυνεχείς) ή μακριές (συνεχείς) ίνες. Οι ίνες, π.χ. ανθρακονήματα και αραμιδικές ίνες, είναι γενικά ανισοτροπικές, αφού έχουν συγκεκριμένο προσανατολισμό. Σαν μητρικά υλικά χρησιμοποιούνται ρητίνες π.χ. εποξικές, μέταλλα όπως το αλουμίνιο, αλλά και κεραμικά. Λόγω των πολλαπλών εφαρμογών τους, αφιερώνουμε την παράγραφο 3 στα σύνθετα υλικά συνεχών ινών Ταξινόμηση με βάση το μητρικό υλικό

3 Τα σύνθετα υλικά μπορούν επίσης να ταξινομηθούν με βάση το υλικό μήτρας στο οποίο ενσωματώνεται η ενισχυτική φάση στις ακόλουθες κατηγορίες: (1) πολυμερή (polymer), (2) μεταλλικά (metal), (3) κεραμικά (ceramic), και (4) άνθρακα (carbon). Παρακάτω περιγράφουμε τα χαρακτηριστικά κάθε κατηγορίας. Τα πιο συνηθισμένα προχωρημένα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούν πολυμερές σαν μητρικό υλικό (π.χ. εποξικές ρητίνες, πολυεστέρα) και λεπτές ίνες σαν ενισχυτικό (γραφίτη, αραμίδια, βόριο). Για παράδειγμα, τα σύνθετα υλικά γραφίτη-εποξικής ρητίνης είναι πέντε φορές ισχυρότερα από το ατσάλι (για το ίδιο βάρος). Ο λόγος που αυτά τα υλικά είναι τα πιο συνηθισμένα σύνθετα είναι το χαμηλό τους κόστος, η υψηλή αντοχή, και η απλή διαδικασία παραγωγής. Το μειονέκτημά τους είναι ότι δεν αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα σύνθετα υλικά αυτής της κατηγορίας χρησιμοποιούνται κατά κόρον στην πολεμική αεροπορία αντικαθιστώντας τα βαρύτερα μεταλλικά εξαρτήματα. Στην πολιτική αεροπορία χρησιμοποιούνται λιγότερο για λόγους ασφαλείας, κυρίως για δευτερεύουσες δομές όπως το πηδάλιο, το επίστρωμα του δαπέδου κ.λπ. Η υψηλή αντοχή των σύνθετων πολυμερών και η σταθερότητα που παρουσιάζουν σε μεγάλες μεταβολές της θερμοκρασίας, τα καθιστούν ελκυστικά και για διαστημικές εφαρμογές. Το SpaceshipOne, το πρώτο επανδρωμένο αεροσκάφος που πέταξε πάνω από τη γήινη ατμόσφαιρα το 2004 φτάνοντας σε ύψος 100 km, ήταν φτιαγμένο από σύνθετο υλικό γραφίτηεποξικής ρητίνης. Το ίδιο υλικό χρησιμοποιήθηκε και για τις πόρτες φορτοεκφόρτωσης του διαστημικού λεωφορείου. Αναφέρουμε ακόμη ότι οι ίνες αραμιδίου (Kevlar) χρησιμοποιούνται σε κράνη και αλεξίσφαιρα γιλέκα. Τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται συνήθως σαν μητρικά υλικά είναι το αλουμίνιο, το μαγνήσιο και το τιτάνιο, ενώ οι συνήθεις ενισχυτικές ίνες είναι το ανθρακόνημα και το καρβίδιο του πυριτίου. Τα μέταλλα ενισχύονται ώστε να αυξήσουν ή να μειώσουν τις ιδιότητές τους, ανάλογα με τις απαιτήσεις του σχεδιασμού. Για παράδειγμα, οι μεγάλοι συντελεστές θερμικής διαστολής και θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας των μετάλλων μπορούν να μειωθούν με την προσθήκη ινών, όπως το καρβίδιο του πυριτίου. Τα μεταλλικά συνθετικά υλικά παρουσιάζουν πλεονεκτήματα έναντι των αντίστοιχων πολυμερών, π.χ. μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες, αλλά φυσικά έχουν μεγαλύτερο βάρος. Ένα σύνθετο υλικό βορίουαλουμινίου χρησιμοποιήθηκε για να στηρίξει το κυρίως σώμα του διαστημικού λεωφορείου, μειώνοντας το βάρος (σε σχέση με άλλα μέταλλα) αλλά και τις απαιτήσεις για θερμομόνωση, λόγω της χαμηλής θερμικής του αγωγιμότητας. Τα σύνθετα κεραμικά υλικά παρουσιάζουν υψηλή αντοχή, σκληρότητα, αντοχή στη θερμοκρασία, χημική αδράνεια, και χαμηλή πυκνότητα. Ωστόσο, τα κεραμικά υλικά από μόνα τους είναι εύθραυστα. Ενισχύοντάς τα με ίνες άνθρακα ή καρβιδίου του πυριτίου, γίνονται πιο ανθεκτικά και ελκυστικά για εφαρμογές όπου απαιτούνται υψηλές μηχανικές ιδιότητες και αντοχή σε ακραίες θερμοκρασίες. Αυτό συμβαίνει γιατί με την προσθήκη των ινών η καταστροφή του υλικού λαμβάνει χώρα βαθμιαία και όχι απότομα. Τα σύνθετα κεραμικά υλικά βρίσκουν εφαρμογή σε περιβάλλοντα υψηλών θερμοκρασιών, όπου τα πολυμερή και μεταλλικά σύνθετα δεν μπορούν να ανταπεξέλθουν, π.χ. στις θερμικές ασπίδες διαστημικών οχημάτων. Υπάρχουν και σύνθετα υλικά που το μητρικό υλικό είναι ο άνθρακας ενώ οι ενισχυτικές ίνες είναι από ανθρακόνημα. Χρησιμοποιούνται σε περιβάλλοντα πολύ υψηλής θερμοκρασίας (μέχρι περίπου 3000 ), ενώ είναι 20 φορές ισχυρότερα και 30% ελαφρύτερα από τις ίνες γραφίτη. Ο

4 άνθρακας από μόνος του είναι σκληρός αλλά εύθραυστος, όπως τα κεραμικά. Η ενίσχυση από ανθρακόνημα του προσδίδει πλεονεκτήματα όπως αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, χαμηλή πυκνότητα, αντίσταση στην καταπόνηση από επαναλαμβανόμενη χρήση, υψηλή θερμική αγωγιμότητα, και υψηλό συντελεστή τριβής. Στα μειονεκτήματα περιλαμβάνονται το υψηλό κόστος και η τάση για οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα σύνθετα υλικά αυτής της κατηγορίας χρησιμοποιούνται στα φρένα αεροπλάνων, αν και πιο ακριβά από τα αντίστοιχα μεταλλικά, γιατί είναι πιο ανθεκτικά, μειώνουν τη διάρκεια του φρεναρίσματος, και είναι ελαφρύτερα. Επίσης, χρησιμοποιούνται στις κωνικές μύτες των διαστημικών λεωφορείων λόγω του μικρού τους βάρους και της ανθεκτικότητας στις υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά την επανείσοδο στη γήινη ατμόσφαιρα. 3. Σύνθετα υλικά συνεχών ινών Οι μηχανικές ιδιότητες αυτών των υλικών επηρεάζονται από τα ακόλουθα χαρακτηριστικά των ινών: (1) μήκος, (2) προσανατολισμό, (3) σχήμα διατομής, και (4) υλικό. Οι ίνες μπορεί να είναι βραχείς ή μακριές. Οι μακριές, συνεχείς ίνες, είναι εύκολο να προσανατολιστούν και να επεξεργαστούν, ενώ οι βραχείς ίνες δεν μπορούν να ελεγχθούν πλήρως για να αποκτήσουν τον κατάλληλο προσανατολισμό. Οι συνεχείς ίνες παρουσιάζουν και άλλα πλεονεκτήματα, όπως αντοχή στην πρόσκρουση βλημάτων και χαμηλή συρρίκνωση με το πέρασμα του χρόνου. Ωστόσο, οι βραχείς ίνες παρουσιάζουν μικρότερο κόστος και μπορούν να παραχθούν πιο εύκολα. Επίσης, έχουν λιγότερες ατέλειες και επομένως μεγαλύτερη αντοχή. Ο προσανατολισμός των ινών είναι πολύ σημαντικός γιατί παρουσιάζουν μεγάλη σκληρότητα και αντοχή στην κατεύθυνση αυτή. Αν είναι προσανατολισμένες σε περισσότερες από μία κατευθύνσεις, εμφανίζουν αντίστοιχα χαρακτηριστικά και στις άλλες κατευθύνσεις, χωρίς όμως να επιτυγχάνουν τα μεγέθη σύνθετων υλικών με μονοκατευθυντικές ίνες. Το συνηθέστερο σχήμα διατομής είναι το κυκλικό γιατί είναι πιο εύκολο στο χειρισμό και την παραγωγή. Έχει υπερκεράσει τα εξαγωνικά και τετραγωνικά σχήματα που έχουν μεγαλύτερη αντοχή και καλύτερο πακετάρισμα. Το υλικό των ινών επηρεάζει άμεσα τη μηχανική συμπεριφορά του σύνθετου υλικού. Γενικά, οι ίνες πρέπει να έχουν υψηλή αντοχή, χαρακτηριστικό που μαζί με το κόστος αποτελούν τους παράγοντες κλειδιά για την επιλογή υλικών όπως ο γραφίτης, τα αραμίδια, και το γυαλί για την κατασκευή των ινών. Στα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται ίνες λεπτής διαμέτρου. Πολλοί και σημαντικοί λόγοι συνηγορούν σε αυτήν την επιλογή. Καταρχήν, μειώνει την πιθανότητα ύπαρξης ενδογενών ατελειών στο υλικό, οπότε αυξάνει την αντοχή του. Επίσης, οι ίνες με μικρότερη διάμετρο έχουν μεγαλύτερη ευλυγισία, χαρακτηριστικό που είναι επιθυμητό σε πολλές περιπτώσεις, π.χ. ένα αλεξίσφαιρο γιλέκο. Τέλος, παρουσιάζουν μεγαλύτερη επιφάνεια διεπαφής με το μητρικό υλικό, οπότε η φόρτιση μεταφέρεται πιο εύκολα σε αυτές από τη μήτρα.

5 Οι ιδιότητες των σύνθετων υλικών αυτής της κατηγορίας επηρεάζονται και από το υλικό μήτρας. Οι λειτουργίες αυτού του υλικού περιλαμβάνουν το «δέσιμο» των ινών μαζί, την προστασία τους από το περιβάλλον και την καταστροφή λόγω χρήσης, και την κατανομή του φορτίου σε αυτές. Οι ιδιότητες του σύνθετου υλικού που επηρεάζονται από το μητρικό υλικό είναι η αντοχή, ο συντελεστής θερμικής διαστολής, και η αντοχή στην επαναλαμβανόμενη χρήση. 4. Ποσοτική έκφραση του μηχανικού πλεονεκτήματος σύνθετων υλικών Σε αυτήν την παράγραφο δείχνουμε με συγκεκριμένα παραδείγματα πως μπορούν να εκφραστούν ποσοτικά τα πλεονεκτήματα των σύνθετων υλικών έναντι των συμβατικών. Θεωρούμε κυλινδρική ράβδο μήκους L και διατομής A, στην οποία δρα αξονικό φορτίο F. Αν με Ε συμβολίσουμε το μέτρο ελαστικότητας (μέτρο Young) της ράβδου, τότε η αξονική παραμόρφωση ΔL της ράβδου είναι [2] ΔL = FL AE Η μάζα της ράβδου δίνεται από τη σχέση M = ρal όπου ρ είναι η πυκνότητα του υλικού, οπότε

6 M = FL2 ΔL 1 E/ρ Από την τελευταία εξίσωση προκύπτει ότι για συγκεκριμένη παραμόρφωση ΔL υπό την επίδραση συγκεκριμένου φορτίου F, η ελαφρύτερη ράβδος είναι αυτή με τη μεγαλύτερη τιμή του ειδικού μέτρου ελαστικότητας (specific modulus) specific modulus = Ε ρ Μία άλλη σημαντική παράμετρος είναι η ειδική αντοχή (specific strength), που ορίζεται ως ο λόγος της αντοχής σ ult ενός υλικού (η μέγιστη πίεση που μπορεί να αντέξει το υλικό πριν καταστραφεί) προς την πυκνότητα ρ specific strength = σ ult ρ Τα σύνθετα υλικά έχουν υψηλές τιμές αυτών των δύο παραμέτρων. Για παράδειγμα, η αντοχή ενός σύνθετου υλικού αποτελούμενου από ίνες γραφίτη και εποξική ρητίνη μπορεί να είναι ίδια με αυτή του ατσαλιού, αλλά η ειδικά αντοχή είναι 3 φορές μεγαλύτερη. Για το παραπάνω απλό παράδειγμα της ράβδου που στηρίζει καθορισμένο αξονικό φορτίο, αυτό συνεπάγεται μειωμένη μάζα κατά το ένα τρίτο, που μεταφράζεται σε μειωμένο κόστος υλικού και ενέργειας. Στον παρακάτω πίνακα παραθέτουμε τις τιμές του ειδικού μέτρου ελαστικότητας και της ειδικής αντοχής για διάφορα σύνθετα υλικά αλλά και μέταλλα. Από τον πίνακα φαίνεται με μια πρώτη ματιά ότι οι ίνες γραφίτη, αραμιδίου, και γυαλιού έχουν μέτρο ειδικής ελαστικότητας αρκετές φορές μεγαλύτερο από μέταλλα όπως το ατσάλι και το αλουμίνιο. Αυτό δίνει μία υπερτιμημένη εικόνα των μηχανικών πλεονεκτημάτων των σύνθετων

7 υλικών, αφού δεν αποτελούνται μόνο από ίνες αλλά και από το μητρικό υλικό, που συνήθως έχει χειρότερα χαρακτηριστικά. Επίσης, ούτε η απλή σύγκριση των μετάλλων με τα σύνθετα υλικά μονοκατευθυντικών ινών που ακολουθούν στην κατάταξη είναι δίκαιη, αφού τα τελευταία χρησιμοποιούνται μόνο για στήριξη απλών αξονικών φορτίων, ενώ έχουν πολύ χειρότερα χαρακτηριστικά σε κάθετες διευθύνσεις. Αν και τα σύνθετα υλικά έχουν ιδιαίτερα πλεονεκτήματα έναντι των μετάλλων, υπάρχουν ωστόσο και κάποιοι περιορισμοί. Ένας πρώτος κρίσιμος παράγοντας είναι το κόστος παρασκευής τους. Επίσης, η επιδιόρθωσή τους δεν είναι απλή διαδικασία, όπως στα μέταλλα. Πολλές φορές, οι ρωγμές σε αυτά τα υλικά μπορεί να περάσουν απαρατήρητες, εγείροντας έτσι ζητήματα ασφάλειας. Τέλος, τα σύνθετα υλικά δεν έχουν απαραίτητα τις υψηλότερες αποδόσεις σε όλα τα κριτήρια που χρησιμοποιούνται για την επιλογή του κατάλληλου υλικού για μία εφαρμογή, π.χ. δεν έχουν τον επιθυμητό συνδυασμό υψηλής αντοχής και αντοχής στη θραύση που έχουν τα μέταλλα. Το ειδικό μέτρο ελαστικότητας και η ειδική αντοχή δεν είναι οι μοναδικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση του σχετικού πλεονεκτήματος των σύνθετων υλικών, αλλά υπάρχουν και άλλες που χρησιμοποιούνται ανάλογα με την εφαρμογή. Παράδειγμα [1] Θεωρούμε κολώνα μήκους L και κυκλικής διατομής διαμέτρου d. Η λειτουργία της κολώνας είναι η στήριξη φορτίου, υπό την πίεση του οποίου διατρέχει τον κίνδυνο κάμψης. Ο τύπος του Euler δίνει το κρίσιμο φορτίο F cr (μονάδα μέτρησης N) όπου λαμβάνει χώρα η κάμψη F cr = π2 EI L 2 όπου E (Ν/m 2 ) είναι το μέτρο Young της κολώνας και I η δεύτερη ροπή της επιφάνειας διατομής, που στην προκειμένη περίπτωση είναι Η μάζα της κολώνας είναι I = π d4 64

8 M = ρ πd2 L 4 η οποία, για σταθερό μήκος L και φορτίο F cr, μπορεί να εκφραστεί ως Μ = 2L2 F cr π 1 E/ρ Από την παραπάνω σχέση είναι προφανές ότι για καθορισμένη δυσκαμψία, όπως προσδιορίζεται από την τιμή του F cr, η ελαφρύτερη κολώνα είναι αυτή με τη μεγαλύτερη τιμή του λόγου E 1/2 /ρ. 5. Εφαρμογές σύνθετων υλικών στη θωράκιση 5.1 Πως λειτουργεί μία θωράκιση Ο ρόλος της θωράκισης είναι να προστατεύει άτομα ή συσκευές, π.χ. ένα όχημα, από τα εχθρικά πυρά. Αυτό επιτυγχάνεται απορροφώντας την κινητική ενέργεια του βλήματος, είτε με πλαστική παραμόρφωση είτε με θραύση του υλικού της θωράκισης. Στη δεύτερη περίπτωση είναι επιθυμητό να διασφαλιστεί ότι τα θραύσματα του υλικού της θωράκισης ή/και του βλήματος, δεν προκαλούν καταστροφές στο στόχο. Αυτό σημαίνει ότι για συγκεκριμένα υλικά υπάρχει σημαντικός κίνδυνος από τη διείσδυση θραυσμάτων στην πίσω όψη της θωράκισης. Αυτό καθιστά απαραίτητη τη χρήση ενός πρόσθετου επιπέδου θωράκισης (spall liner) που παρέχει προστασία από τα θραύσματα, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Μία θωράκιση πρέπει να ικανοποιεί δύο ρόλους, αφενός να παρέχει προστασία και αφετέρου να διατηρεί τη δομή της. Αν το υλικό που χρησιμοποιείται για τη θωράκιση ικανοποιεί και τις δύο λειτουργίες, τότε συνήθως παρέχει προστασία έχοντας μεγάλη αντοχή ώστε να μην μπορεί να διαρραγεί κατά την πρόσκρουση του βλήματος. Η αντοχή του υλικού υπό συνθήκες υψηλής πίεσης είναι ο παράγοντας κλειδί για την επιλογή του πάχους που πρέπει να χρησιμοποιηθεί. Ωστόσο, υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι βλημάτων που μπορεί να πλήξουν μία θωράκιση. Σε πολλές περιπτώσεις έχει νόημα να μπορεί η θωράκιση να παραμορφωθεί ώστε να επιβραδύνει και να σταματήσει το βλήμα, ενώ σε άλλες δεν επιτρέπεται κάτι τέτοιο λόγω χωρικών περιορισμών. Για τους λόγους αυτούς, είναι συχνά επιθυμητό οι θωρακίσεις να

9 βασίζονται σε σύνθετα υλικά κατανεμημένα σε πολλαπλά επίπεδα, με το καθένα από αυτά να παρέχει συγκεκριμένη λειτουργικότητα στη θωράκιση. Η χρήση σύνθετων υλικών για τη θωράκιση ανθρώπων και οχημάτων υπαγορεύεται επίσης από τις απαιτήσεις της άμεσης μεταφοράς σε περιοχές συγκρούσεων και της ευκινησίας στο πεδίο της μάχης [3]. Αν το μέτωπο της σύγκρουσης είναι σε σχετικά κοντινή απόσταση, ένα στρατιωτικό όχημα μπορεί να μεταβεί εκεί αυτοκινούμενο. Σε πολλές περιπτώσεις όμως οι μάχες λαμβάνουν χώρα σε απομακρυσμένες περιοχές, οπότε η μεταφορά των οχημάτων, ακόμα και με πλοία ή αεροπλάνα, είναι επιτακτική. Επίσης, η ευκινησία ανθρώπων και οχημάτων στο πεδίο της μάχης είναι ένας κρίσιμος παράγοντας για την επιβίωση τους, ενώ σημαντικό ρόλο παίζει και η μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων από τα οχήματα για την αποφυγή ανίχνευσης από τον εχθρό. Όλες οι παραπάνω απαιτήσεις μπορούν να ικανοποιηθούν με μείωση του βάρους του οχήματος και του προστατευτικού εξοπλισμού των στρατιωτών (κράνος, γιλέκο), χωρίς όμως να γίνεται έκπτωση στην αντοχή σε εχθρικά πυρά. Τα σύνθετα υλικά είναι η απάντηση σε αυτήν την τεχνολογική πρόκληση. 5.2 Βαλλιστική συμπεριφορά σύνθετων υλικών Η ικανότητα ενός υλικού να συνεισφέρει θετικά στην προστασία από την πρόσκρουση ενός βλήματος εξαρτάται από τη σκληρότητα του υλικού, που είναι κρίσιμη για την άμβλυνση του βλήματος, και την μέγιστη πίεση που μπορεί να δεχθεί χωρίς να καταστραφεί, που καθορίζει την ικανότητα του υλικού να απορροφά ενέργεια μέσω παραμόρφωσης (θραύση για τα κεραμικά υλικά και τα σύνθετα, πλαστική παραμόρφωση για τα μέταλλα). Τα σύνθετα υλικά βασίζονται κυρίως σε μια σειρά μικροθραύσεων που λαμβάνουν χώρα κατά την πρόσκρουση και απορροφούν ενέργεια. Αυτό σημαίνει ότι η τελική απορρόφηση ενέργειας εξαρτάται κυρίως από τη μέγιστη πίεση που μπορούν να αντέξουν οι ίνες του σύνθετου υλικού χωρίς να καταστραφούν. Από τη στιγμή που οι ίνες θα διαρραγούν, η θωράκιση καταρρέει και δεν απορροφάται επιπλέον ενέργεια. Για σύνθετα υλικά ινών, η διαδικασία θραύσης λαμβάνει χώρα σε δύο φάσεις που απεικονίζονται στο παρακάτω σχήμα. Η αρχικά υψηλή ταχύτητα του βλήματος του δίνει τη δυνατότητα να διεισδύσει στο υλικό «ψαλιδίζοντας» τις ίνες, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Καθώς το βλήμα επιβραδύνεται, αρχίζει να παραμορφώνει την πλάκα του υλικού διαχωρίζοντας τα επίπεδα (delamination) και επιμηκύνοντας τις ίνες.

10 Επειδή η απορρόφηση ενέργειας σε ένα σύνθετο υλικό ινών πραγματοποιείται με την επιμήκυνση και την καταστροφή των ινών, οι ίνες που έχουν υψηλή αντοχή και παρουσιάζουν μεγάλη επιμήκυνση πριν διαρραγούν έχουν καλύτερη βαλλιστική συμπεριφορά. Επιπρόσθετα, οι ίνες στις οποίες η ταχύτητα διάδοσης του ήχου είναι υψηλή έχουν καλύτερη βαλλιστική απόδοση λόγω διασποράς της ενέργειας πρόσκρουσης σε μεγαλύτερες επιφάνειες. Για τη θεωρητική βαλλιστική αξιολόγηση σύνθετων υλικών ινών έχει προταθεί ο ακόλουθος συντελεστής απόδοσης (ballistic figure of merit) [4] (U ) 1/3 = ( σ ultε 2ρ Ε ρ ) 1/3 που έχει διαστάσεις ταχύτητας (m/s). Στον παραπάνω τύπο, σ ult (N/m 2 ) είναι η αξονική αντοχή της ίνας που ορίστηκε σε προηγούμενη παράγραφο (μέγιστη πίεση που μπορεί να αντέξει πριν καταστραφεί),

11 ε = ΔL L είναι η μέγιστη αξονική επιμήκυνση της ίνας, σαν ποσοστό του αρχικού μήκους, πριν καταστραφεί, Ε (N/m 2 ) είναι το μέτρο ελαστικότητας που ορίστηκε παραπάνω και ρ (kg/m 3 ) είναι η πυκνότητα της ίνας. Ο δεύτερος όρος εντός της παρενθέσεως εκφράζει την ταχύτητα του ήχου v s στην αξονική διεύθυνση κατά μήκος της ίνας [5] v s = Ε ρ ενώ ο πρώτος όρος εκφράζει την ενέργεια θραύσης του υλικού ανά μονάδα μάζας για την ίδια διεύθυνση, όπως θα δείξουμε άμεσα. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, η ενέργεια δίνεται από το εμβαδόν που περικλείεται από την καμπύλη της δύναμης σχεδιασμένη ως προς την επιμήκυνση. Όταν η δύναμη είναι ανάλογη της επιμήκυνσης, όπως θεωρούμε στην προκειμένη περίπτωση, η ενέργεια EN είναι ίση με EN = 1 2 FΔL Στο όριο θραύσης της ίνας έχουμε F = σ ult A, όπου A είναι το εμβαδόν διατομής της ίνας, και ΔL = εl. Χρησιμοποιώντας αυτές τις σχέσεις καθώς και ότι η πυκνότητα είναι ρ = m V = m AL

12 βρίσκουμε τελικά την ενέργεια ανά μονάδα μάζας του υλικού EN m = σ ultε 2ρ Στο παραπάνω σχήμα έχει υπολογιστεί ο βαλλιστικός συντελεστής απόδοσης για διάφορα σύνθετα υλικά. Από αυτά, το S 2 glass, το Kevlar (ίνες αραμιδίου), και το Dyneema (UHMWP, ultra-high molecular weight polyethylene), είναι ήδη σε χρήση, ενώ η σειρά με την οποία αναφέρονται αυτά τα υλικά είναι αύξουσα όσον αφορά το συντελεστή βαλλιστικής απόδοσης και το κόστος, και φθίνουσα όσον αφορά το βάρος τους. Αναφέρουμε σαν παράδειγμα ότι το κράνος που χρησιμοποιεί ο Αμερικανικός στρατός (advanced combat helmet) είναι κατασκευασμένο από ίνες αραμιδίου, Kevlar και Twaron. Κράνη κατασκευάζονται επίσης και από ίνες Dyneema, ενώ τόσο αυτό το υλικό όσο και το Kevlar χρησιμοποιούνται σε αλεξίσφαιρα γιλέκα. Βρίσκουν εφαρμογή επίσης σε οχήματα τύπου MRAP (mine resistant ambush protected) στο αντιθραυσματικό επίπεδο θωράκισης (spall liner) για προστασία από αντιαρματικά RPG (rocket-propelled grenade) αλλά και αυτοσχέδιους εκρηκτικούς μηχανισμούς IED (improvised explosive devices). Οι μελλοντικές θωρακίσεις ενδέχεται να περιλαμβάνουν ίνες M 5 και ίνες από νανοσωλήνες άνθρακα SWCNT (single wall carbon nanotubes). Η παράμετρος που χρησιμοποιείται για την πρακτική βαλλιστική αξιολόγηση θωρακίσεων είναι το βαλλιστικό όριο ή οριακή ταχύτητα V 50 (ballistic limit or limit velocity), που ορίζεται ως η αναγκαία ταχύτητα ενός βλήματος ώστε να διαπερνά αξιόπιστα (με πιθανότητα 50% τουλάχιστον) τη θωράκιση. Προφανώς, αν η ταχύτητα του βλήματος είναι μικρότερη από το βαλλιστικό όριο, μειώνεται σημαντικά η πιθανότητα διάτρησης της θωράκισης. Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται το βαλλιστικό όριο για διάφορα σύνθετα υλικά. Επισημαίνουμε ότι το βαλλιστικό όριο εξαρτάται τόσο από τον τύπο του βλήματος όσο και από την επιφανειακή

13 πυκνότητα του υλικού, καθώς και από τη γωνία πρόσκρουσης. Τέλος, αναφέρουμε ότι η παράμετρος (U ) 1/3 που παρουσιάστηκε παραπάνω, προέκυψε ως η παράμετρος που σχηματίζεται από τα χαρακτηριστικά του υλικού και έχει διαστάσεις ταχύτητας, όπως η V 50 δηλαδή [4]. 5.3 Σχεδίαση θωρακίσεων από σύνθετα υλικά Η σχεδίαση μίας θωράκισης εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως τον τύπο των πυρομαχικών που πρέπει να αντιμετωπίσει, το είδος της εφαρμογής, το επιτρεπτό βάρος, και φυσικά το κόστος. Οι πιο αποτελεσματικές θωρακίσεις δεν αποτελούνται από ένα μόνο υλικό (ατσάλι ή σύνθετο) αλλά συνδυάζουν πολλαπλά επίπεδα διαφορετικών υλικών. Οι τελευταίες περιλαμβάνουν συνήθως ένα εξωτερικό επίπεδο από κεραμικό υλικό, το οποίο αμβλύνει και επιβραδύνει το βλήμα, ενώ ακολουθεί ένα επίπεδο πιο ισχυρού υλικού, το οποίο προστατεύει από τα θραύσματα του βλήματος αλλά και του πρώτου (κεραμικού) επιπέδου. Οι αρχικές πολυεπίπεδες θωρακίσεις από σύνθετα υλικά περιλάμβαναν εξωτερικά κεραμικά επίπεδα, ακολουθούμενα από ατσάλι ή, συνηθέστερα, αλουμίνιο. Σήμερα, τα σύνθετα υλικά ινών έχουν αναγνωριστεί ως τα υλικά που παρέχουν τον καλύτερο συνδυασμό απόδοσης/βάρους. Τα πολυδιάστατα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται κατά δύο διαφορετικούς τρόπους στη σχεδίαση θωρακίσεων. Η κλασσική προσέγγιση είναι να χρησιμοποιούνται σαν μία δευτερεύουσα θωράκιση που εφαρμόζει πάνω στη (συνήθως μεταλλική) βασική θωράκιση π.χ. ενός οχήματος (αριστερή εικόνα στο παρακάτω σχήμα). Αυτή η πρόσθετη θωράκιση μπορεί να αφαιρεθεί, επισκευαστεί ή αντικατασταθεί, ανάλογα με τις ανάγκες. Η εναλλακτική προσέγγιση είναι η θωράκιση και η δομή του οχήματος να θεωρούνται σαν ένα ενιαίο και ολοκληρωμένο πολυλειτουργικό σύνθετο υλικό (δεξιά εικόνα στο παρακάτω σχήμα).

14 Τα πολυδιάστατα σύνθετα υλικά που χρησιμοποιούνται σαν δευτερεύουσες θωρακίσεις προσφέρουν προστασία στη βασική θωράκιση μέσω της ελεγχόμενης αποσύνθεσής τους κατά την πρόσκρουση του βλήματος. Η κύρια λειτουργία τους είναι να μετριάζουν την αρχική πρόσκρουση, οπότε μπορούν να θεωρηθούν πετυχημένα ακόμη και σε περίπτωση διάτρησης, αρκεί να μειώνουν σημαντικά την απειλή κατά της βασικής θωράκισης. Οι περισσότερες πολυδιάστατες θωρακίσεις διαθέτουν ένα εξωτερικό επίπεδο από σύνθετο υλικό ινών που καλύπτει τις κεραμικές πλάκες παρέχοντας προστασία από μικροκαταστροφές. Πιο περίπλοκοι σχεδιασμοί θωρακίσεων περιλαμβάνουν επίπεδα από ελαστομερή που τοποθετούνται πίσω από τις κεραμικές πλάκες για να βελτιώσουν την απόδοση της θωράκισης σε πολλαπλά πλήγματα. Η ικανότητα της θωράκισης να ανταπεξέρχεται με επιτυχία σε πολλαπλά χτυπήματα εξαρτάται μερικώς από την περιορισμένη θραύση των κεραμικών πλακών κατά την πρόσκρουση. Ιδανικά, επιτρέπεται η καταστροφή του κεραμικού υλικού που είναι πίσω από το βλήμα στο σημείο της πρόσκρουσης, αλλά πρέπει να περιορίζεται η πλευρική θραύση. Για το λόγο αυτό, το μέγεθος των κεραμικών πλακών είναι περιορισμένο. Ο άλλος παράγοντας που περιορίζει τη δυνατότητα μιας θωράκισης να αντέξει πολλαπλά πλήγματα είναι ότι εξαιτίας αυτών λαμβάνει χώρα διαχωρισμός των επιπέδων (delamination) του ισχυρού σύνθετου υλικού ινών που χρησιμοποιείται πίσω από το κεραμικό επίπεδο, με αποτέλεσμα την υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων του πρώτου. Οι σύγχρονες θωρακίσεις περιλαμβάνουν και άλλα επίπεδα σύνθετων υλικών, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Για παράδειγμα, ένα επίπεδο αποτελούμενο από αφρό αλουμινίου μπορεί να παρεμβάλλεται μεταξύ του κεραμικού επιπέδου και του ισχυρού συνθετικού ινών. Αυτό συμβαίνει όχι μόνο για την ενίσχυση της προστασίας από πολλαπλά χτυπήματα, αλλά και για τον περιορισμό της εκτροπής της πίσω όψης του υλικού και την ελαχιστοποίηση της διείσδυσής του στο χώρο τον οποίο προστατεύει. Επίσης, ενδέχεται να υπάρχουν ξεχωριστά επίπεδα σύνθετων υλικών για πυροπροστασία, συνήθως φαινολικές πλάκες. Τέλος, δύναται να υπάρχει και ένα επίπεδο για προστασία από ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (electromagnetic interference, EMI).

15 Βιβλιογραφία [1] A.K. Kaw, Mechanics of Composite Materials, CRC Press, [2] H. Young (μετάφραση από ομάδα πανεπιστημιακών), Πανεπιστημιακή Φυσική τόμος Α (Μηχανική-Θερμοδυναμική), Εκδόσεις Παπαζήση, [3] P.J. Hogg, Composites for Ballistic Applications, Composites Processing, CPA, Bromsgrove, U.K. March [4] P.M. Cunniff, Dimensionless Parameters for Optimization of Textile-Based Body Armor Systems, 18th International Symposium on Ballistics Conference, San Antonio TX, U.S.A. November [5] K.U. Ingard (μετάφραση από ομάδα πανεπιστημιακών), Κύματα και Ταλαντώσεις, Αρχές και Εφαρμογές, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Ε.Μ.Π., 2008.