Els cascos antibales utilitzen fibres millorades.

Les fibres de poliamida aromàtica utilitzades en el camp de la protecció balística inclouen principalment para-aramida (aramida 2) i aramida heterocíclica (aramida 3).

La para-aramida va ser aplicada per primera vegada per l'exèrcit nord-americà en el camp de la protecció balística. Van utilitzar para-aramida com a fibra de reforç per desenvolupar materials compostos, substituint els materials metàl·lics per a la fabricació de cascs antibales. La pràctica ha demostrat que, a causa de les excel·lents propietats de la para-aramida en si, com ara una resistència ultra alta, un mòdul elevat i una baixa densitat, el rendiment balístic dels seus materials compostos és significativament millor que el dels cascos d'acer, alhora que aconsegueixen cascos antibales lleugers. .

Actualment, els cascos antibales més utilitzats al món encara estan fets de para-aramida. Tanmateix, la para-aramida també té certs defectes. Per exemple, sota l'exposició a la llum ultraviolada, les cadenes macromoleculars de para-aramida es trencaran, donant lloc a una disminució significativa del rendiment protector. Actualment, els productes de para-aramida produïts industrialment inclouen principalment Kevlar de DuPont als Estats Units, Twaron de Teijin al Japó, Heracron de Kolon a Corea del Sud i Taparon de Yantai Tayho Advanced Materials Co., Ltd. a la Xina.

La modificació estructural de la para-aramida es pot dur a terme introduint l'estructura de benzimidazol per desenvolupar aramida heterocíclica. L'aramida heterocíclica no només té millors propietats mecàniques que la para-aramida, sinó que també millora les deficiències de la poca resistència de la para-aramida a la llum ultraviolada, ampliant així el seu rang d'aplicació. La Xina ha desenvolupat cascos antibales fets d'aramida heterocíclica. En comparació amb els cascos de para-aramida amb el mateix nivell de protecció, el seu pes es pot reduir entre un 20% i un 30%.

La fibra UHMWPE va sortir a la dècada de 1970. La seva resistència a la tracció és la més alta entre totes les fibres industrialitzades d'alt rendiment. La seva força supera l'aramida i la seva densitat és inferior a l'aramida.

A principis del segle XXI, per tal de reduir encara més la massa de cascos antibales, l'exèrcit dels EUA va començar a utilitzar fibra UHMWPE per investigar i desenvolupar cascs antibales. Com que la fibra UHMWPE no té una gran força entre les molècules de fibra i no té grups actius a la superfície, és difícil formar una bona interfície d'enllaç amb la matriu quan s'utilitza com a reforç compost. Per tant, es fa més sovint en teixits UD. Karthikeyan et al. va utilitzar fibra UHMWPE i poliuretà per preparar teixits UD i va trobar que el teixit UD amb un patró de laminació de 0 graus/90 graus té el millor rendiment balístic.

Actualment, també hi ha estudis sobre modificació superficial de fibres UHMWPE per millorar les propietats d'unió de la interfície amb la matriu de resina. Els experimentadors van utilitzar una varietat de mètodes físics i químics per modificar les fibres UHMWPE. L'estudi va trobar que diferents mètodes de modificació tenen els seus propis avantatges i desavantatges: el mètode de tractament elèctric pot aconseguir un tractament de modificació contínua, però el rendiment d'unió superficial de la fibra UHMWPE tractada L'atenuació és greu; el mètode de tractament amb plasma té un efecte de modificació important, però és car i difícil de processar contínuament; el mètode de gravat químic no és respectuós amb el medi ambient i pot danyar fàcilment les propietats mecàniques de la pròpia fibra; el mètode de modificació de fotoempelt de superfície té poc impacte en les propietats de la fibra i la modificació L'adhesió superficial de la fibra posterior a la fibra es millora significativament, però hi ha problemes com l'alt cost i la dificultat en el processament continu.

A més, la resistència a la fluència de la fibra UHMWPE és pobra i els productes a prova de balística fets amb ells tindran greus abollaments posteriors després de ser impactats per la balística. És a dir, la part posterior del material a prova de balística quedarà abollada després de ser deformada per l'impacte d'una ogiva. En resposta a aquesta situació, el mòdul de tracció de la fibra UHMWPE augmenta augmentant el pes molecular relatiu i canviant el procés de dibuix, i redueix el problema de la concavitat posterior dels seus productes.

La fibra PBO és un material de reforç compost desenvolupat als Estats Units a la dècada de 1980 per al desenvolupament de la indústria aeroespacial.

Comparant l'absorció d'energia de la fibra PBO, la fibra d'aramida, la fibra de poliarilacetat i els materials compostos de fibra de carboni, es va trobar que els materials compostos PBO poden absorbir més energia en l'impacte penetrant i tenen un gran potencial en el camp de l'absorció d'energia a prova de bales.

A més, la resistència a la fluència i el mòdul de la fibra PBO també superen la de la majoria de fibres d'alt rendiment utilitzades en el camp antibales.

Tanmateix, la fibra PBO també té alguns problemes com a fibra de reforç per a materials compostos, com ara la intolerància als raigs ultraviolats, la poca resistència a la compressió i el rendiment d'unió pobre amb la interfície de resina. Per tant, no s'utilitza àmpliament en el camp antibales.

Les estructures moleculars de les fibres PIPD i les fibres PBO es mostren a la figura 4. Es pot veure que les estructures moleculars de les dues són similars, però l'estructura tridimensional única de la quadrícula d'enllaç d'hidrogen de la fibra PIPD li ofereix un millor rendiment d'enllaç a la interfície, axial. rendiment de compressió i major mòdul de tracció.

A la taula 1 es mostra una comparació dels principals paràmetres de rendiment de diverses fibres comunes d'alt rendiment.

Amb el desenvolupament i els canvis dels temps, la gent té requisits cada cop més alts per al rendiment antibales dels cascs antibales, i els materials compostos reforçats amb fibra única ja no poden satisfer les necessitats de protecció dels productes. Diverses fibres d'alt rendiment tenen característiques diferents, de manera que els sistemes de fibres híbrides han cridat l'atenció gradualment. La hibridació és la barreja de fibres d'alt rendiment amb diferents característiques per preparar materials compostos, que poden donar millors propietats als materials compostos. Una bona relació de barreja de fibres i un sistema estructural híbrid poden millorar molt la resistència balística dels materials compostos.

Els provadors barrejaran aramida para-aramida i aramida heterocíclica en diferents proporcions i utilitzaran materials compostos que contenen aramida heterocíclica com a superfície balística i la superfície posterior per dur a terme proves de rendiment balístic.

Els resultats mostren que quan s'utilitza el material compost que conté aramida heterocíclica com a superfície balística, la velocitat límit balística V50 és més gran, i això és més evident quan la fracció de massa d'aramida heterocíclica al compost és del 30% al 70%. A mesura que augmenta la quantitat d'aramida heterocíclica, la deformació del casc antibales després de ser colpejat disminueix. Els provadors van utilitzar materials compostos UHMWPE i materials compostos de fibra para-aramida com a superfície balística i superfície posterior, respectivament, per provar el rendiment balístic. Els resultats van mostrar que quan es va utilitzar material compost UHMWPE com a superfície de la bola i com a part posterior es va utilitzar material compost de para-aramida, quan el rendiment de protecció balística és òptim, la relació de massa dels compostos UHMWPE i els compostos de para-aramida és 50:50;

Quan el material compost de para-aramida s'utilitza com a superfície frontal i el material compost UHMWPE s'utilitza com a superfície posterior, la relació de massa del material compost UHMWPE i el material compost de para-aramida és de 70:30 quan el rendiment de protecció balística és òptim; la relació de massa del material compost d'estructura híbrida El rendiment balístic és millor que el dels materials compostos de fibra única.

Els compostos de fibra de carboni es van utilitzar com a superfície balística i els compostos de fibra de vidre i els compostos de para-aramida es van utilitzar com a superfície posterior per preparar teixits compostos híbrids. Després de les proves, es va trobar que la resistència balística dels materials compostos obtinguts era millor que la fibra de carboni pura, la fibra de vidre pura i el compost de fibra única pura fet de para-aramida.

Actualment, s'han posat en marxa sistemes híbrids de fibra en grans quantitats. Aquest sistema de fibra híbrida, que pot aprofitar diferents fibres d'alt rendiment, pot ajudar a millorar encara més el rendiment de protecció dels equips de protecció balística.

(V50 es refereix a la velocitat d'incidència de bala quan la probabilitat de penetració de bala al material de prova és del 50%. Quantifica el rendiment antibales del material i és un índex de referència per avaluar el rendiment antibales del material. Com més gran és el V50, més millor el rendiment a prova de bales del material.)