A golyóálló sisakok javított szálakat használnak.

A ballisztikai védelem területén használt aromás poliamid szálak elsősorban a para-aramidot (aramid 2) és a heterociklusos aramidot (aramid 3) tartalmazzák.

A para-aramidot először az amerikai hadsereg alkalmazta a ballisztikai védelem területén. Para-aramidot használtak erősítő szálként kompozit anyagok kifejlesztéséhez, a golyóálló sisakok gyártásához használt fémanyagok helyett. A gyakorlat azt mutatja, hogy magának a para-aramidnak a kiváló tulajdonságainak köszönhetően, mint például az ultranagy szilárdság, a nagy modulus és az alacsony sűrűség, kompozit anyagainak ballisztikai teljesítménye lényegesen jobb, mint az acélsisakoké, miközben könnyű golyóálló sisakokat ér el. .

Jelenleg a világon a legszélesebb körben használt golyóálló sisakok még mindig para-aramidból készülnek. A para-aramidnak azonban vannak bizonyos hibái is. Például ultraibolya fény hatására a para-aramid makromolekuláris láncai megszakadnak, ami a védelmi teljesítmény jelentős csökkenéséhez vezet. Jelenleg az iparilag előállított para-aramid termékek közé tartozik az amerikai DuPont Kevlar, a japán Teijin Twaron, a dél-koreai Kolon Heracron és a kínai Yantai Tayho Advanced Materials Co., Ltd. Taparon.

A para-aramid szerkezeti módosítása végrehajtható benzimidazol szerkezetének bevezetésével heterociklusos aramid előállítása céljából. A heterociklusos aramid nemcsak jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, mint a para-aramid, hanem javítja a para-aramid ultraibolya fénnyel szembeni gyenge ellenálló képességének hiányosságait is, így kiterjeszti alkalmazási körét. Kína heterociklusos aramidból készült golyóálló sisakokat fejlesztett ki. Az azonos szintű védelemmel rendelkező para-aramid sisakokhoz képest súlyuk 20-30%-kal csökkenthető.

Az UHMWPE szál az 1970-es években jelent meg. Szakítószilárdsága a legmagasabb az iparosodott nagy teljesítményű szálak közül. Erőssége meghaladja az aramidot, sűrűsége pedig kisebb, mint az aramid.

A 21. század elején a golyóálló sisakok tömegének további csökkentése érdekében az amerikai hadsereg UHMWPE szálat kezdett használni a golyóálló sisakok kutatására és fejlesztésére. Mivel az UHMWPE szálon nincs nagy erő a szálmolekulák között, és nincsenek aktív csoportok a felületen, nehéz jó kötőfelületet kialakítani a mátrixszal, ha kompozit erősítésként használják. Ezért leggyakrabban UD szövetekké készül. Karthikeyan et al. UHMWPE szálat és poliuretánt használt az UD szövetek elkészítéséhez, és azt találta, hogy a 0 fokos /90 fokos laminált UD szövet rendelkezik a legjobb ballisztikus teljesítménnyel.

Jelenleg az UHMWPE szálak felületének módosításával kapcsolatos tanulmányok is folynak a gyantamátrixhoz való interfész kötési tulajdonságainak javítása érdekében. A kísérletezők különféle fizikai és kémiai módszereket alkalmaztak az UHMWPE szálak módosítására. A tanulmány megállapította, hogy a különböző módosítási módszereknek megvannak a maga előnyei és hátrányai: az elektromos kezelési módszerrel folyamatos módosító kezelés érhető el, de a kezelt UHMWPE szál felületi kötési teljesítménye A csillapítás komoly; a plazmakezelési módszer jelentős módosító hatású, de költséges és nehéz folyamatosan feldolgozni; a kémiai maratási módszer nem környezetbarát, és könnyen károsíthatja magának a szálnak a mechanikai tulajdonságait; a felületi fotograftás módosítási módszernek nincs hatása a szál tulajdonságaira és a módosításra. A szál utáni szál felületi tapadása jelentősen javul, de vannak olyan problémák, mint a magas költségek és a folyamatos feldolgozás nehézségei.

Ráadásul az UHMWPE szál kúszási ellenállása gyenge, és a belőlük készült ballisztikai termékeken a ballisztikai hatások után komoly hátsó horpadások lesznek. Ez azt jelenti, hogy a golyóálló anyag hátoldala behorpadt, miután egy robbanófej becsapódása miatt deformálódik. Erre a helyzetre válaszul az UHMWPE szál húzómodulusa a relatív molekulatömeg növelésével és a rajzolási folyamat megváltoztatásával megnövekszik, és csökkenti a termékeinél a hátsó homorúság problémáját.

A PBO szál egy kompozit erősítőanyag, amelyet az Egyesült Államokban fejlesztettek ki az 1980-as években a repülőgépipar fejlesztésére.

A PBO szál, aramid szál, poliarilacetát szál és szénszálas kompozit anyagok energiaelnyelését összehasonlítva azt találtuk, hogy a PBO kompozit anyagok több energiát képesek elnyelni a behatoló ütközés során, és nagy potenciállal rendelkeznek a golyóálló energiaelnyelés terén.

Ezen túlmenően a PBO szál kúszási ellenállása és modulusa is meghaladja a legtöbb nagy teljesítményű, golyóálló területen használt szálét.

A PBO-szálnak azonban vannak bizonyos problémái a kompozit anyagok erősítőszálaként is, mint például az ultraibolya sugarak intoleranciája, gyenge kompressziós ellenállás és gyenge kötési teljesítmény a gyanta felülettel. Ezért nem használják széles körben a golyóálló területen.

A PIPD szálak és a PBO szálak molekuláris szerkezetét a 4. ábra mutatja. Látható, hogy a kettő molekulaszerkezete hasonló, de a PIPD szál egyedi, háromdimenziós hidrogénkötő rácsszerkezete jobb határfelületi kötési teljesítményt biztosít, axiálisan. kompressziós teljesítmény és nagyobb húzási modulus.

Számos elterjedt nagy teljesítményű szál fő teljesítményparamétereinek összehasonlítása az 1. táblázatban látható.

Az idők fejlődésével és változásaival az emberek egyre magasabb követelményeket támasztanak a golyóálló sisakok golyóállóságával szemben, és az egyszál-erősítésű kompozit anyagok már nem tudják kielégíteni a termékek védelmi igényeit. A különböző nagy teljesítményű szálak eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek, így a hibrid szálrendszerek fokozatosan felkeltették a figyelmet. A hibridizáció különböző jellemzőkkel rendelkező, nagy teljesítményű szálak keverése kompozit anyagok előállítására, amelyek jobb tulajdonságokat biztosíthatnak a kompozit anyagoknak. A jó szálkeverési arány és a hibrid szerkezeti rendszer nagymértékben javíthatja a kompozit anyagok ballisztikai ellenállását.

A tesztelők különböző arányban keverik a para-aramidot és a heterociklusos aramidot, és heterociklusos aramidot tartalmazó kompozit anyagokat használnak ballisztikai felületként és hátoldalként a ballisztikai teljesítménytesztek elvégzéséhez.

Az eredmények azt mutatják, hogy ha a heterociklusos aramidot tartalmazó kompozit anyagot ballisztikai felületként használjuk, a ballisztikai határsebesség V50 nagyobb, és ez nyilvánvalóbb, ha a heterociklusos aramid tömeghányada a kompozitban 30-70%. A heterociklusos aramid mennyiségének növekedésével a golyóálló sisak ütközés utáni deformációja csökken. A tesztelők UHMWPE kompozit anyagokat és para-aramid szálas kompozit anyagokat használtak ballisztikus felületként, illetve hátoldalként a ballisztikai teljesítmény tesztelésére. Az eredmények azt mutatták, hogy ha UHMWPE kompozit anyagot használtak a gömbvég felületeként és para-aramid kompozit anyagot használtak hátoldalként, ha a ballisztikai védelmi teljesítmény optimális, az UHMWPE kompozitok és para-aramid kompozitok tömegaránya 50:50;

Ha para-aramid kompozit anyagot használnak elülső felületként, UHMWPE kompozit anyagot pedig hátsó felületként, az UHMWPE kompozit anyag és a para-aramid kompozit anyag tömegaránya 70:30, amikor a ballisztikai védelmi teljesítmény optimális; a hibrid szerkezetű kompozit anyag tömegaránya A ballisztikai teljesítmény jobb, mint az egyszálas kompozit anyagoké.

Ballisztikai felületként szénszálas kompozitokat, hátoldalként üvegszálas kompozitokat és para-aramid kompozitokat használtak a hibrid kompozit szövetek előállításához. A tesztelés után azt találták, hogy a kapott kompozit anyagok ballisztikai ellenállása jobb, mint a tiszta szénszál, a tiszta üvegszál és a tiszta, para-aramidból készült egyszálas kompozit.

Jelenleg a szálhibrid rendszereket nagy mennyiségben alkalmazzák. Ez a hibrid szálrendszer, amely képes kihasználni a különböző nagy teljesítményű szálak előnyeit, segíthet a ballisztikai védőfelszerelések védelmi teljesítményének további javításában.

(A V50 a golyó beesési sebességére utal, amikor a golyó behatolási valószínűsége a vizsgált anyagba 50%. Az anyag golyóálló képességét számszerűsíti, és referenciaindex az anyag golyóállóságának értékeléséhez. Minél nagyobb a V50, annál jobb az anyag golyóállósága.)