Tài liệu Tóm tắt luận án tiến sĩ hóa học nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit có khả năng hấp thụ sóng điện từ và chống đạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KH&CN VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC  Ngô Cao Long NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT CÓ KHẢ NĂNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CHỐNG ĐẠN Chuyên ngành : Hóa lý thuyết và Hoá lý Mã số : 62.44.01.19 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HÀ NỘI – 2015 Công trình được hoàn thành tại: Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam  Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS Nguyễn Đức Nghĩa 2. PGS. TS Ngô Trịnh Tùng Phản biện 1: GS. TS. Thái Hoàng Phản biện 2: GS. TS. Lâm Ngọc Thiềm Phản biện 3: GS. TS. Phan Hồng Khôi Luận án sẽ đư ợc bảo vệ trư ớc Hội đồng chấm luận án cấp nhà nư ớc họp tại: Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. vào hồi ...... giờ ..... ngày ...... tháng...... năm...... Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện học A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết và mục đích nghiên cứu của luận án - Tính cấp thiết của luận án: Trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng, việc phát triển vật liệu n nocompozit trên cơ sở sợi siêu bền gi cường các vật liệu nano nhằm tạo ra sản phẩm chống đạn cấp c o hơn luôn được quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng chế tạo được giáp chống lại các vũ khí sát thương c sức công phá lớn như đạn pháo, tên lử o đ các phương pháp ng tr ng luôn được quan tâm, dẫn tới sự r đời và phát triển vật liệu hấp th s ng điện từ. Thực tế, khả năng chống đạn và khả năng hấp th s ng điện từ của vật liệu compozit đều tăng theo độ dầy, cho thấy tiềm năng kết hợp hai tính chất này trong một hệ compozit duy nhất ưu việt hơn - Mục đích: Chế tạo thành công hệ vật liệu nanocompozit có khả năng chống đạn tốt, hấp th s ng điện từ tối ưu trên cơ sở vật liệu nanocompozit, polyme dẫn và vải sợi c độ bền cao nhằm ứng d ng có hiệu quả trong ngành kỹ thuật cao ph c v an ninh quốc phòng với đề tài “ h c chế ậ c c h hấ hụ đ và ch đ . 2. Nội dung nghiên cứu của luận án - Chế tạo n nocompozit trên cơ sở nanocompozit củ gr phen và ống nano cacbon với pol me ẫn (polyanilin, Polypyrol) và lự chọn hệ vật liệu c khả năng hấp th s ng điện từ tối ưu tốt nhất - Tối ưu điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu chống đạn trên cơ sở vải sợi evl r và vải sợi c c on nền nhự epo gi cường vật liệu nanocompozit hấp th s ng điện từ. - Tính toán đư r kết cấu chống đạn tối ưu trên cơ sở mô phỏng số và bắn thử nghiệm thực tế, khảo sát khả năng hấp th s ng điện từ của vật liệu chế tạo được. 3. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và đóng góp mới của luận án - Đ chế tạo thành công các hệ vật liệu chống đạn trên cơ sở nanocompozit vải sợi c c on epo gi cường graphen/ và n nocompozit vải sợi evl r epo gi cường graphen/PPy với c ng chế độ công nghệ tối ưu và khảo sát khả năng chống đạn củ chúng, từ đó lựa chọn được kết cấu chống đạn tối ưu - Chế tạo được hệ vật liệu nanocompozit trên cơ sở vải sợi evl r vải sợi c c on nền nhự epo gi cường graphen-PPy có khả năng hấp th s ng điện từ tốt. - Vật liệu n nocompozit t hợp vải sợi cacbon/Kevlar/epoxy/ gr phenc khả năng hấp th s ng điện từ và chống đạn súng súng tốt ết uả của luận án mở r hướng nghiên cứu vật liệu mới ứng ng trong chế tạo giáp chống đạn bền hơn nhẹ hơn đồng thời c khả năng ng tr ng hiệu uả cho các phương tiện cá nhân khí tài u n sự tránh bị phát hiện bởi r đ ăng X nhằm nâng cao hiệu quả tác chiến khi chiến đấu, ph c v thiết thực cho công tác đảm bảo an ninh quốc phòng. 4. Bố cục của luận án Luận án gồm 129 tr ng được trình bày trong 5 phần: Mở đầu 3 trang; Chương 1 T ng quan 36 tr ng; Chương 2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 13 tr ng; Chương 3 Nghiên cứu, khảo sát tính chất của các hệ vật liệu sử d ng làm giáp chống đạn 64 trang; Kết luận chung 1 trang và tài liệu tham khảo 11 trang. B. NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương 1. Tổng quan Đ tập hợp 105 tài liệu tham khảo về các nội ung và đối tượng nghiên cứu của luận án gồm: vật liệu nanocompozit, vật liệu hấp th sóng điện từ, vật liệu compozit chống đạn; t ng quan về nghiên cứu vật liệu chống đạn và hấp th s ng điện từ, và rút ra kết luận như s u: - Vải sợi evl r sợi c c on và compozit củ chúng được sử ng ph iến trong chế tạo giáp chống đạn cá nh n và các phương tiện chiến đấu - Vật liệu nanocompozit của CNT và graphen với polyme dẫn (polypyrol, polyanilin) có tính chất điện môi tốt độ dẫn điện cao, có tiềm năng ứng d ng chế tạo vật liệu hấp th s ng điện từ. - Luận án sử d ng phương pháp thử nghiệm vật liệu chống đạn theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.06 của Hoa Kỳ và phương pháp mô phỏng số sử d ng phần mềm Autodyn Ansys 12. Chương 2. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu 2.1. Hóa chấ hiế ị 2.1.1. Hóa chấ - Ống n noc c on đ tường do Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ chế tạo bằng phương pháp CV ; Graphen N008N, Angstron 2 material, Hoa Kỳ; Vải sợi cacbon loại CF3327, Hankuk Carbon, Hàn Quốc; Vải sợi Kevlar A802F, Dupont, Hoa Kỳ; Nhựa epoxy loại Epikote 815, Shell Chemical, Mĩ; Pyrol (98%), erck Đức; Anilin (98%) erck Đức; Sắt (III) clorua hexahydrat (>99%) erck Đức và một số hóa chất khác. 2.1.2. Thiế ị ụng cụ Thiết bị chế tạo: máy ép thủy lực có gia nhiệt loại 30 tấn, Carver, Hoa Kỳ và loại 150 tấn nch ng Đài Lo n; Tủ sấy và tủ sấy hút chân không emert Đức; Máy khuấ cơ má khuấy từ gia nhiệt, bể rung siêu âm SW60H; Khuôn chế tạo pha nền; khuôn ép thủy lực. Thiết bị nghiên cứu: á đo ph hồng ngoại FT-IR IMPACT- 410; á đo ph raman LabRAM HR, Horiba, Nhật; Máy kéo nén uốn đ năng Tinius Olsen H100 KT, Hounfield, Anh, Máy phân tích nhiệt DSC, TGA Labsys, Stearam, Pháp; Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hitachi S4800, Nhật Bản; á đo độ dẫn eithle picometer Đức ; á đo độ bền va đập Radmana ITR 2000, Úc. Thiết bị xác định khả năng chống đạn: Súng ngắn K54, súng tiểu liên AK47 sử d ng đạn lõi thép tương ứng 7,62 x 25 và 7,62 x 39 mm do Nga sản xuất; thiết bị đo sơ tốc đầu đạn Prochrono Digital Chronograph, vật liệu đo độ lún theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.06, Hoa Kỳ; Hệ máy tính và phần mềm mô phỏng số Autodyn Ansys 12.0, Hoa Kỳ. 2.2. hương pháp chế o Chế tạo nanocompozit PANi/CNT, graphen/PANi, polypyrol/CNT, graphen/PPy bằng phương pháp tr ng hợp in-situ trong dung dịch với chất doping DBSA. Chế tạo compozit vải sợi c c on epo , compozit vải sợi evl r epoxy, nanocompozit cacbon/epoxy/graphen-PPy (CEGPY), Kevlar/ epoxy/graphen-PPy (KEGPY), nanocompozit t hợp cacbon/Kevlar/ epoxy/graphen-PPy bằng phương pháp h i gi i đoạn. Gi i đoạn 1 gel hoá một phần nhựa nền, phân bố nhựa nền vào sợi c c on và ép đu i khí, giai đoạn 2 ép áp lực cao, nhiệt độ cao để định hình và đ ng rắn hoàn toàn tấm vật liệu. 2.3. Các phương pháp nghiên cứ Xác định độ dẫn của vật liệu, Xác định khả năng hấp th s ng điện từ, Hiển vi điện tử quét (SEM), Ph hồng ngoại FT-IR, Ph Raman, Xác 3 định tính chất cơ học, Phân tích nhiệt, Xác định hàm lượng phần gel, Mô phỏng khả năng chống đạn của vật liệu, Bắn thử nghiệm thực tế theo tiêu chuẩn Chương 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Chế t o nanocompozit MWCNT và graphen với PPy, PANi 3.1.1. Khảo sát vật liệu MWCNT và graphen (c) (b) (a) (d) Hình 3.1. Ảnh FESEM của mẫu MWCNT mẫu CNT ban đầu (a), mẫu CNT sau khi rung siêu âm (b) của graphen độ phóng đại 10.000 lần (c), 60.000 lần (d) D G G D 2D 2D Hình 3.2. Phổ Raman của graphen và MWCNT Độ ẫn (S/cm) 35 30 25 20 15 10 5 0 Độ ẫn (S/cm) 3.1.2. Khảo á điều kiện chế t o PPy PANi 0 5 10 15 20 25 30 Hàm lượng DBSA (%) Hình 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng DBSA đến độ dẫn của PANi và PPy 35 30 25 20 15 10 5 0 PPy 0 2 4 6 8 10 12 Thời gian phản ứng (giờ) Hình 3.4 Ảnh hưởng của Hình 3.5. Ảnh hưởng của hàm thời gian phản ứng đến lượng MWCNT à graphen đến độ dẫn của AN à độ dẫn của PANi và PPy Khảo sát điều kiện tối ưu chế tạo nanocompozit của PANi, PPy với graphen và MWCNT là hàm lượng DBSA 15% với PANi, 20% với PPy, 4 thời gian phản ứng 8 giờ hàm lượng MWCNT và graphen là 4% với PANi, 5% với PPy. 3.1.2.4. Khảo sát tính chấ n n c g h n ới PPy (b) (a) (c) Hình 3.6. Phổ FTIR của PPY (a), nanocompozit MWCNT/PPy (b) và graphen/PPy (c) (a) (b) Hình 3.7. Ảnh SEM của nanocompozit MWCNT/PPy (a), graphen/PPy (b) 3.1.3. Khả năng hấp thụ óng điện từ của nanocompozit Tần ố (GHz) 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Tổn hao hấp hụ (dB) -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 MWCNT/PPy Graphen/PPy MWCNT/PANi Graphen/PANi Hình 3.8 Tổn ha hấp thụ sóng đ ện từ của các nanocompozit Kết quả khảo sát cho thấy các mẫu n nocompozit đều cho độ hấp th tốt trên dải tần số từ 8-12 GHz. Qua so sánh thấy rằng mẫu nanocompozit graphen/PPy có khả năng hấp th s ng điện từ tốt nhất độ ẫn điện c o 5 nhất o vậy luận án sử d ng nanocompozit graphen/PPy trong các nghiên cứu tiếp theo với các điều kiện công nghệ chế tạo tối ưu ở hàm lượng DBSA 20%, thời gian phản ứng là 8 giờ hàm lượng gr phen là % cho độ dẫn đạt 48 S/cm và khả năng hấp th s ng điện từ cao nhất ở 10 GHz với 32 dB. 3.2. Chế t o nanocompozit vải sợi cacbon/epoxy/graphen/PPy (CEGPY) 3.2.1. Khảo sát nhựa nền epoxy Ảnh hưởng củ h lượng chấ đóng ắn DDM Hình 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng DDM đến hàm lượng phần gel của nhựa epoxy Epikote 815 ở 80oC Hình 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng phần gel của hệ nhựa Epikote 815/DDM nh T nh hất ơ học của ep x đã đóng rắn bằng DDM ở hàm lượng khác nhau Từ kết quả trình bày tại hình 3.9, 3.10, 3.11 cho thấ điều kiện công nghệ chế tạo nhựa nền epo là hàm lượng chất đ ng rắn DDM ở 22% (PKL), nhiệt độ đ ng rắn 150oC chế tạo compozit. 3.2.1.1. Ảnh hưởng củ h lượng nhự PPy đến ính chấ cơ học củ CEGPY nh 2. Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa epoxy đến tính chất ơ học của CEGPY xy, h lượng graphen- nh 3. Ảnh hưởng của hàm lượng GPY đến tính chất ơ học của CEGPY Kết quả trình bày tại hình 3.12, 3.13 cho thấy tính chất cơ học của CEG Y đạt giá trị tối ưu ở hàm lượng nhự 30% hàm lượng GPY trong nhựa epoxy là 3% (PKL). 6 3.2.1.2. Ảnh hưởng củ đ ều kiện g CEGPY công đến tính chấ cơ học của Kết quả trình bày tại hình 3.14, 3.15, 3.16 cho thấ điều kiện công nghệ chế tạo n nocompozit CEGPY tối ưu ở hàm lượng nhự epo là 30% L hàm lượng G Y trong nhựa epo là 3% L Tăng nhiệt độ và áp lực ép để định hình và đ ng rắn hoàn toàn tấm vật liệu ở áp lực ép 150 kg/cm2, thời gian ép 90 phút, nhiệt độ ép 150oC. Kết quả khảo nghiệm cho thấ tính chất cơ l của vật liệu CEG Y đạt được ở điều kiện tối ưu là: độ ền kéo đứt 3 3 độ ền uốn 2 độ ền v đập 2 182 kJ/m mô đun kéo đứt là 36 GPa. Hình 3.14. Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến tính chất ơ học của CEGPY Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời gian p đến tính chất ơ học của CEGPY Hình 3.16. Ảnh hưởng của áp suất ép đến tính chất ơ học của CEGPY Tính chất của CEGPY Kết quả phân tích nhiệt cho thấ N nocompozit CEG Y c nhiệt độ ph n hủ c o hơn compozit c c on epo nh 17. Giản đồ phân tích nhiệt khố lượng của compozit ca b n ep x CEGPY 7 à (a) nh 18 Ảnh FESEM ủa (b) mp t a b n ep x 3.3. Chế t o nanocompo i vải ợi K vla / po Hình 3.19. Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa đến tính chất ơ học vật liệu KEGPY /G a C (K G b ) Hình 3.20. Ảnh hưởng của hàm lượng đến tính chất ơ học vật liệu KEGPY Kết quả cho thấy, vật liệu EG Y đạt tính chất cơ học tốt nhất ở hàm lượng nhự epo đạt 30% hàm lượng graphen-PPy trong nhựa epoxy là 30%. Công nghệ chế tạo EG Y luận án đ khảo sát và kết uả tương tự như củ EG Y Điều kiện công nghệ như nh u sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho chế tạo compozit t hợp cả hai loại vải cacbon và vải Kevlar. Tính chất cơ l tối ưu củ vật liệu n nocompozit EG Y là: độ ền kéo đứt 33 độ ền v đập k m2 độ ền uốn 2 0 mô đun đàn hồi 2 G độ n ài khi đứt % 3.3.3. Tính chất của KEGPY 3.3.3.1. Phân tích nhiệt Kết quả cho thấy, n nocompozit hơn compozit evl r epo 8 EG Y c nhiệt độ ph n hủ c o nh 1. Giản đồ phân tích nhiệt khố lượng mp t e lar ep x à nh há học của KEGPY (a) nh (b) 22 Ảnh S M ủa compozit Kevlar/epoxy (a) và KEGPY (b) 3.4. ủa các vật li u nanocompozit 3.4.1. Ảnh hưởng hàm lượng G đến khả năng hấp thụ óng điện từ a. Vật liệu KEGPY Hàm lượng GPY (%) Hàm lượng GPY (%) 0 -5 -5 ( B) 0 -10 -20 -25 -30 -35 nh 23 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -10 -15 Tổn hao phản Tổn hao hấp hụ (dB) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 -15 -20 -25 -30 hả n ng hấp thụ sóng đ ện từ ủa số 9 the hàm lượng GPY ở tần Kết quả cho thấy, compozit Kevlar/epoxy có khả năng hấp th s ng điện từ không đáng kể hi gi cường graphen/PPy vào vật liệu này sẽ làm tăng khả năng hấp th s ng điện từ củ vật liệu EG Y, tối ưu ở giá trị 5%. Điều này phù hợp với kết quả khảo sát tính chất cơ l b.Vật liệu CEGPY Hàm lượng G 0 1 2 Hàm lượng G (%) 3 4 0 5 2 3 4 5 -12 -15 ( B) -17 -19 -17 -22 -21 Tổn hao phản Tổn hao hấp hụ ( B) 1 (%) -23 -25 -27 -29 -27 -32 -37 -31 -42 -33 nh hả n ng hấp thụ sóng đ ện từ ủa C số the hàm lượng GPY ở tần Kết quả cho thấy, với hàm lượng GPY 3% trong CEGPY thì cho khả năng hấp th sóng điện từ tối ưu ph hợp với kết quả cơ học. 3. .2. Khả năng hấp hụ óng điện ừ của vậ liệ nanocompo i 8 – 12 GHz Tần số (GHz) Tần số (GHz) 9 10 11 12 8 -10 -10 -15 -15 Tổn hao phản xạ(dB) Tổn hao hấp thụ (dB) 8 -20 -25 -30 -35 -40 nh KEGPY CEGPY ên ải CKEGPY 9 10 11 12 -20 -25 -30 -35 -40 KEGPY 29 S s nh hả n ng hấp thụ sóng đ ện từ ủa CEGPY C CKEGPY C Kết quả so sánh khả năng hấp th s ng điện từ của các mẫu nanocompozit cho thấy C EG Y c t n h o hấp th và t n h o phản ạ rộng hơn so với h i vật liệu KEGPY và CEGPY. 10 3.5. Khảo sát khả năng chống đ n 3.5.1. Xác định khả năng chống đ n của vải sợi xếp lớp 3. 5.1.1. Mô phỏng số a. Khả năng chống đạn của vải Kevlar - Thiết lập thông số mô phỏng củ đầu đạn: đầu đạn 7,62x25 mm sử d ng cho súng K54 có khối lượng củ đầu đạn là 5,50g và thiết đặt tốc độ đạn khi va chạm là 420 m/giây. Mô hình thiết kế mô phỏng viên đạn được mô tả tại hình 3.30. Đầu đạn thực b. Thiết kế viên đạn c. Nửa mẫu d. Mẫu đầ đủ Hình 3.30 Đầu đạn 7,62x25 mm của súng K54 Đầu đạn 7,62x39 mm sử d ng cho súng AK47 có kết cấu gồm 3 lớp: phần lõi là thép cứng có tác d ng xuyên, lớp bọc bên ngoài bằng đồng tạo thành mũi đạn; giữa lõi và vỏ ngoài là một lớp chì mỏng. Khối lượng của đầu đạn là 7,97g và thiết đặt tốc độ đạn khi va chạm là 715m/giây. Mô hình thiết kế mô phỏng viên đạn được mô tả tại hình 3.31. Đầu đạn thực tế b. Thiết kế đầu đạn c. Nửa mẫu Hình 3.31 Đầu đạn 7,62x39 mm ủa s ng A - Nhập dữ liệ đưa a kết quả mô phỏng * Xây dựng các thông s vật li u 11 d. Mẫu đầ đủ Mô hình vật liệu của vải Kevlar là phương trình trạng thái trực hướng (orthotropic), mô hình bền tuyến tính, mô hình phá hủy ứng suất/biến dạng m teri l stress str in phương pháp chi lưới Lagrange cho mẫu vật liệu này. Hình 3.32. Mô hình mô phỏng hình họ à h a lưới của đầu đạn súng K54 và AK47 va chạm vào tấm chắn vải Kevlar Tấm vải chống đạn là một tấm vuông 100 100 mm Luận án lự chọn g c v chạm giữ đầu đạn và tấm chắn là 90o ô hình chi lưới hình học của vật liệu n đầu của các loại đạn va chạm vào các tấm chắn được trình bày tại hình 3.32. Bảng 3.1. Mô hình và thông số vật liệu của vải Kevlar 129 Nội dung nhập dữ liệu hương trình trạng thái Mô hình bền Độ ền kéo đứt k ô đun kéo đứt k Độ dãn dài, % Khối lượng riêng, g/cm3 Mô hình phá hủy hương pháp chi lưới Nhiệt độ phá huỷ, K Chu kỳ giới hạn, vòng lặp Thời gian va chạm tối đ gi Bước thời gian nhỏ nhất, giây Bước thời gian lớn nhất, giây Hệ số an toàn Số liệu nhập Trực hướng Tuyến tính 4,15.105 11,3.107 4,7 1,4 Ứng suất/biến dạng chính Lagrange 800 106 0,2 10-15 108 0,67 - Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng cho thấ viên đạn xuyên thủng và phá hủy hoàn toàn 63 lớp vải Kevlar, tấm vải c u hướng bị hỏng một phần kết cấu, tạo 12 ra sự giãn tách lớp giữa các lớp vải và hình thành một hình nón cao ở phía sau mặt tấm vải Kevlar. Hình 3.33. Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng K54 theo thời gian khi va chạm với tấm vải Kevlar nh nh ảnh m phỏng hả n ng hống đạn s ng A ủa tấm g p ải Kevlar xếp lớp b. Khả năng chống đạn của vải sợi cacbon xếp lớp - Thông số mô phỏng tấm giáp vải cacbon X ựng mô hình và chi lưới tấm chống đạn như trong m c Thông số mô phỏng của tấm giáp vải cacbon xếp lớp, thiết lập điều kiện chạ như trong ảng 3.2. Bảng 3.2. Thông số mô phỏng giáp vải cacbon Nội dung nhập dữ liệu hương trình trạng thái Mô hình bền Độ ền kéo đứt k ô đun kéo đứt k Độ dãn dài, % Khối lượng riêng, g/cm3 Mô hình phá hủy hương pháp chi lưới Nhiệt độ phá huỷ, K Chu kỳ giới hạn, vòng lặp Thời gian va chạm tối đ gi Bước thời gian nhỏ nhất, giây Bước thời gian lớn nhất, giây Hệ số an toàn Số liệu nhập Trực hướng Đ hướng 4,8x105 22,7x107 0,8 1,83 Ứng suất/biến dạng chính Lagrange 900 106 0,2 10-15 108 0,67 - Mô phỏng số va ch m đầ đ n súng K54 và AK với giáp vải cacbon xếp lớp Động năng củ đầu đạn về giá trị 0 chứng tỏ n đ ị ừng lại hoàn toàn Vận tốc củ đầu đạn đạt giá trị -12 m/giây chứng tỏ n đ ị bật trở lại c o hơn so với vải evl r s u đ ừng hẳn do lực ma sát lỗ ết uả 13 cho thấ tấm vải sợi c c on c khả năng chống đạn xuyên thủng là 0 lớp Hình 3.35. Mô phỏng quá trình va chạm của đầu đạn súng K54 the thờ g an ớ vải cacbon xếp lớp với số lớp ị nh M phỏng quá trình va chạm à đồ thị động n ng a hạm với tấm giáp vải cacbon xếp lớp Kết quả cho thấy tấm giáp vải c c on c khả năng chống đạn súng AK47 với số lớp ị u ên thủng là 1 0 200 lớp vải 3.5.1.2. Khảo sát khả năng chống đạn của vải xếp lớp bằng bắn thử nghiệm thực tế (a) (b) Hình 3.37. Súng K54 (a), súng AK47 (b) sử dụng trong bắn thử nghiệm thực tế Mẫu thử nghiệm được chế tạo từ các lớp vải Kevlar, cacbon có kích thước 25x30 cm. Tiến hành thử nghiệm khả năng chống đạn lõi thép có kích thước 7,62x25 mm củ súng và 2 3 mm củ súng hương pháp thử nghiệm theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.04 của Hoa Kỳ với các thiết bị đo sơ tốc đạn i đo độ lún tiêu chuẩn ột số thông số mẫu thử, điều kiện thử và kết quả thu được trình bày trong bảng 3.3, bảng 3.4 với vải sợi Kevlar; bảng 3.5, bảng 3.6 với vải sợi cacbon. Hình 3.38. Mẫu giáp vải cacbon và Kevlar xếp lớp 14 Bảng 3.3. Thông số các tấm giáp vải Kevlar xếp lớp à đ ều kiện thử nghiệm Mẫu số 1K 2K Số lớp vải 80 200 Kích hước (cm) 25x30 25x30 Điều kiện thử nghiệm Trọng lượng Lo i Lo i đ n Số lần bắn Cự ly bắn (g) súng (mm) (lần) (m) 1140 K54 7,62x25 06 5 2850 AK47 7,62x39 06 15 Bảng 3.4. Kết quả bắn thử nghiệm giáp vải Kevlar Mẫu số 1K 2K Điểm bắn 1 2 3 4 5 6 TB 1 2 3 4 5 6 TB Sơ ốc đ n (m/giây) 430 404 408 420 425 416 417,2 700 718 705 721 716 722 713,7 Số lớp xuyên qua 65 63 67 62 65 63 64,2 200 200 200 200 200 200 200 Độ lún (mm) 58,2 52,4 54,5 55,7 56,1 53,2 55 Thủng Thủng Thủng Thủng Thủng Thủng Thủng Hình 3.39. Kết quả bắn thử nghiệm vải Kevlar xếp lớp Đối với đạn lõi thép kích thước 7,62x25 mm bắn bằng súng K54 với sơ tốc đầu đạn trung bình là 417,49 m/giây tại mẫu số 1 tấm vải ếp lớp thủng 2 lớp mẫu không thủng nhưng độ lún cao nhất là 54,7 mm > 44 mm (theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.04) nên vẫn chư đạt tiêu chuẩn Đối với 15 đạn lõi thép kích thước 7,62x39 mm bắn bằng súng c sơ tốc đầu đạn trung bình là 714,16 m/giây tại mẫu số 2K thì mẫu bị xuyên thủng 100% và kết cấu tấm vải bị phá hủ hoàn toàn Như vậy, với kết cấu chỉ có vải Kevlar sẽ không đáp ứng được yêu cầu chống đạn với các loại súng có sơ tốc đầu đạn lớn như súng súng Bảng 3.5. Thông số các tấm giáp vải cacbon xếp lớp à đ ều kiện thử nghiệm Mẫu Số lớp số vải 1C 2C 80 200 Kích hước (cm) 25x30 25x30 Trọng lượng (g) 1254 3135 Điều kiện thử nghiệm Lo i Lo i đ n Số lần bắn Cự ly bắn súng (mm) (lần) (m) K54 7,62x25 06 5 AK47 7,62x39 06 15 Bảng 3.6. Kết quả bắn thử nghiệm tấm giáp vải cacbon xếp lớp Mẫu số 1C 2C Điểm bắn 1 2 3 4 5 6 TB 1 2 3 4 5 6 TB Sơ ốc đ n (m/giây) 416 419 410 420 421 415 416,8 709 718 712 719 715 720 715,5 Số lớp xuyên qua 66 68 65 67 64 65 65,8 173 176 175 183 184 185 179,3 Độ lún (mm) 51,1 53,3 48,2 50,1 47,6 46,5 49,5 50,5 52,6 56,2 57,3 52,1 55,4 54 Đối với đạn 7,62x25 mm của súng K54 với sơ tốc đầu đạn trung bình là 416,8 m/giây tại mẫu số 1C tấm vải ếp lớp thủng lớp mẫu không thủng nhưng độ lún là 49,5 mm (> 44 mm) nên vẫn chư đạt tiêu chuẩn. Đối với đạn lõi thép 7,62x39 mm của súng AK47 với sơ tốc đầu đạn trung bình là 715,5 m/giây tại mẫu số 2C thì số lớp bị xuyên thủng 1 3 và độ lún là 54 mm (> 44 mm Như vậy, với kết cấu vải cacbon xếp lớp tuy có khả năng chống đạn súng nhưng vẫn không đáp ứng được tiêu 16 chuẩn cho phép. ết uả ắn thử nghiệm cho thấ ph hợp với kết uả mô phỏng số. 3.5.2. Khảo sát khả năng chống đ n của nanocompozit Thông số mô phỏng của các mẫu n nocompozit được trình bày trong bảng 3.7 Bảng 3.7. Mô hình và thông số vật liệu của nanocompozit Nội dung nhập dữ liệu KEGPY CEGPY hương trình trạng thái hương trình trạng thái kép Khối lượng riêng (g/cm3) ôđun Young k Hệ số dãn dài Nhiệt độ phân hủy Mô hình bền Mô hình phá hủy Độ bền kéo đứt (kPa) Độ bền uốn (kPa) hương pháp chi lưới Bước thời gi n nhỏ nhất Bước thời gi n lớn nhất Trực hướng Đ hướng 1,53 2,6.107 0,0712 750K dẻo đàn hồi ứng suất/biến dạng 3,39. 105 2,4. 105 lagrange 10-15 106 ức độ phá hủ củ vật liệu 1000000 0,01 s 1000 chu kì Trực hướng Đ hướng 1,65 3,6.107 0,01 750K Jonson Holmquist Jonson-cook 3,43.105 2,7. 105 lagrange 10-15 106 ức độ phá hủ củ vật liệu 1000000 0,01 s 1000 chu kì Tình trạng hiển thị ố chu kì tối đ Thời gi n tối đ Lưu kết uả 3.5.2.1. Kết quả mô phỏng vớ đạn súng K54 a. Tấm KEGPY Hình 3.40. Mô phỏng hả n ng hống đạn ủa đầu đạn súng K54 theo thờ g an a hạm ớ KEGPY Hình 3.41. Mô phỏng hả n ng hống đạn ủa đầu đạn súng K54 theo thờ g an a hạm ớ CEGPY 17 Kết quả mô phỏng uá trình v chạm củ đầu đạn súng K54 vào tấm KEGPY được trình bày tại hình 3.40. Kết quả mô phỏng khả năng chống đạn súng củ KEGPY cho thấ vật liệu c khả năng chống đạn súng với 3 0 lớp vải evl r ị u ên thủng b. Tấm CEGPY Kết quả mô phỏng quá trình va chạm đầu đạn súng K54 với tấm CEGPY cho thấ vật liệu nà c khả năng chống đạn súng với lớp vải ị u ên thủng. c. n c hợ ả ợ c c n l xy Hình 3.42 M phỏng hả n ng hống đạn à đồ thị ận tố à n ng lượng ủa đầu đạn s ng the thờ g an a hạm ớ CKEGPY ết uả mô phỏng các tấm CKEGPY với tỉ lệ vải cacbon/kevlar khác nh u được trình bày tại bảng 3.8. Kết quả khảo sát cho thấ tấm C EG Y chứ 20 lớp vải c c on 0 lớp vải evl r cho khả năng chống đạn súng tốt nhất và c số lớp u ên ít nhất Bảng STT 1 2 3 4 5 hả n ng hống đạn s ng ủa nan cacbon/Kevlar Số lớp vải cac on/K vla nanocompozit 0/60 10/50 20/40 30/30 60/0 ong mp t the t lệ ả Số lớp hủng 43 42 39 45 47 3.5.2. 2. Kết quả mô phỏng vớ đạn súng AK47 Kết quả mô phỏng quá trình va chạm đầu đạn súng AK47 với tấm KEGPY cho thấ viên đạn xuyên thủng và phá hủy 120/140 lớp vải 18