Punkcijai atsparių medžiagų dizainas sunkiajam apsauginiam įrenginiui

Pjūvio ir pradūrimo atsparumo mechanizmų pagrindai

Jis sujungia fizinę kliūtį ir energijos skydelio efektą, kad būtų sustabdytas ašmenų ar smaigaus objekto prasiskverbimas. Pagrindiniai apsaugos mechanizmai apima medžiagos standinimą, trinties padidinimą ir konstrukcijos pažeidimus, integruotus į kompozitinius audinius. Kalbant apie pirmiau minėtą pasiūlymą, auditorijai buvo parodyta, kad asmeninės apsaugos priemonių našumas gali būti padidintas derinant minkštas ir standžias medžiagas vienoje konstrukcijoje, kaip tai daroma SRUS (Soft-Rigid Unified Structure) sistemoje – kurios tikslas yra pasiekti aukščiausią apsaugos klasę, derinant organinius ir neorganinius daleles, integruotas į dervas. Ši dviejų tekstilės inžinerijos technologijų fazė veikia destruktyviai reaguodama į invazines grėsmes, atsirandančias susidūrimo metu.

Pjūvio atsparumas kyla dėl kietų dalelių pasiskirstymo lankstaus pagrindo viduje. Susidūrus su ašmenimis, įterptos aliuminio oksido dalelės sukelia atvirkštinio pjūvio jėgas, kurios aktyviai degraduoja aštrius kraštus ir sugeria fragmentacijos energiją. Šis mikrolygio abrazyvinis poveikis pamažu silpnina pjūvio įrankius per paviršiaus sutrikdymą.

Apsauga nuo pradurimo: per adatos tipo deaktyvaciją ir trinties savęs užrakinimą. Dėl cheminio kieto kompozito bloko sukietėjimo, dalelių stiprinimas sukelia adatos deformavimąsi ir antgalio lenkimą. Tuo pačiu metu, gerai suprojektuoti tarpai paeiliui padidina trinties koeficientus ir leidžia jiems užsirakinti bei sulinkti veikiant mechaniniam slėgiui. Šie sinchronizuoti efektai keičia gedimo būseną iš šlyties prasiskverbimo į plyšio sustabdymą.

Pagrindinės mechaninės savybės atsparioje medžiagoje

Atsparumo tempimui ir ilgėjimo našumo rodikliai

Atsparumas tempimui - tai traukos jėga, kurią medžiaga gali išlaikyti neplyšusi - svarbu išvengti drabužių plyšimų kovos ir gelbėjimo situacijose. Kai įvyksta smūgis, kontroliuojamas pailgėjimas leidžia energiją paskirstyti strategiškai, kaip rodo medžiagos pažeidimų tyrimai (2024 m.): medžiagos lieka struktūriškai tvirtos esant daugiau nei $650 \text{N/cm}^2$. Šių rodiklių sinerginė pusiausvyra užtikrina pasipriešinimą (katastrofiškam) plyšio plitimui, kartu leidžiant (kritinę) judumą aukšto konflikto rizikos situacijose ir sudaro pirmąją apsauginę liniją nuo nukreiptų mechaninių atakų.

Plyšimo stiprio optimizavimo technikos

Kai pažeidžiama, plyšio stipris nulems, ar medžiagos pažeidimas taps gedimu. Šiuolaikinės metodikos naudoja kryžminio sluoksnio UHMWPE (Ultra aukšto molinio svorio polietilenas) pagrindus ir dvigubo tinklo audinius, kad būtų pakeista įtempių krypčių kryptis. Šios sukurtos medžiagos paskirsto vietinius krūvius per daugkartinis apkrovos trajektorijas, todėl plyšio stipris gerokai viršija $175 \text{kN/m}$ ir suteikia mažesnį nei $400 \text{gsm}$ masės biudžetą. Papildoma armatūra yra siūlių sąnariuose, kad būtų padidinta makroskopinė gedimo atsparos koncentruotose apkrovos srityse, tvirtinant siūlų daugiakolones daugiau nei viena ašimi.

Ilgaamžiškumo-Lankstumo kompromisinė analizė

Konvencinė apsauginė apranga manevringumą aukojo stiprumui – o tai buvo brangi prekyba avarijos metu. Esami konstrukciniai sprendimai pagrįsti kintamu standžių plokščių ir suspaudimo ploninančių skysčių sritimi, kurios skystėja tik susidūrimo metu, tačiau pavojingose situacijose užkietėja. Tyrimai parodė, kad tokia fazinio pereinamojo architektūra gali išlaikyti 97% atsparumą pjūviams ir leisti sąnario lankstymo kampą $140^\circ$. Net esant segmentuotai, dėl gofruotų vyrių plokščių ir segmentuotų apsaugos plytelių šarmai turėtų užtikrinti judesių laisvę be apsaugos spragų.

Nubrozdinimų atsparumo didinimo strategijos

Dėl paviršiaus degradacijos medžiagos tarnavimo laikas sutrumpėja $68%$, remiantis dėvėjimosi ciklo modeliavimu. Prieš priemonės yra naudoti garuojamas keramines nanodangas (aliuminio/silicio karbido formuliacijas), kurios padidina paviršiaus kietumą iki $~9H$ Mohso skalėje. Tuo pačiu, suktiniai hibridinių pluoštų šerdys – kuriuose yra para-aramidų ir PTFE (politetrafluoretileno) pluoštų – užtikrina vidinio pluošto vientisumą veikiant trinties jėgoms. Tai tris kartus ilgesnis tarnavimo laikas lyginant su daugelio mūsų konkurentų dangomis agregatuose su dalelėmis be jokio pastebimo nubrozdinimo, kadangi atitinka ASTM D3389-16 standartus.

Priešpriešinės mechanizmai: Kietosios dalelės ir trinties savaiminis blokavimas

Įterptų dalelių pasiskirstymo inžinerija

Netinkamas kietų dalelių, tokių kaip silicio ar anglies pagrindu pagamintų priedų, paskirstymas tekstilės matricoje sukuria pasipriešinimo karštų vietų. Optimaliai paskirsčius daleles paviršiuje, sustabdomas medžiagos klijavimas be maišytuvo ir užtikrinamas geras šviesos lūžimas per kietąjį pasyvavimą – procesą, kuriuo aštrūs objektai smūgio metu tampa blausesni. Esami gamybos metodai neišsprendžia vienodo dalelių paskirstymo problemos, tačiau vietoj to bus grindžiami vienodu dalelių paskirstymu (pvz., ultragarso sklaidos dėmesiuose). Sukurti paskirstymo modeliai padidina apsaugą daugiau nei 45 % pagal standartinius bandymų metodus, kartu išlaikant audinio atsispirtimą lankstiam prigludimui ir judėjimo patogumui. Dalelių koncentracijos gradientai kritiškose smūgio srityse veikia efektyviau, remiantis kompozitinių tekstilių analize.

Frikcinės savęs blokuojančios struktūrinės principai

Taigi, tarp dalelėmis armuotų dėklo blokų naudojamas tarpelio dizainas panaudoja trinties savęs užrakinimo principą; tai yra mechaninis principas, kai svetimi kūnai, jei jie prasiskverbia į jį, yra tiesiogiai užrakinami dėl jų sukibimo su gretimomis paviršiais. 2.3 Kai įsiskverbimo metu padidėja šoninės jėgos, statinės trinties koeficientai eksponentiškai didėja ir progresyvi pasipriešinimo jėga neleidžia objektui judėti pirmyn. Minkštojo-rigido derintos sistemos atveju mokslinių tyrimų rezultatai parodė, kad optimalus tarpelis yra nuo 0,2 iki 0,5 mm siekiant gauti optimalų užrakinimo efektyvumą. Šie kalibruoti tarpeliai leidžia laisvai judėti audinio drapei, o tuo pačiu buvo patvirtinta ASTM F2878 standarto 5 lygio aštrumo atsparumo bandomoji.

Minkšto-Rigido Suapvalintoji Struktūra (SRUS) Dizaino Innovacijos

Minkštai-standi sujungtos struktūros (SRUS) medžiaga yra inovacinė apsauginė tekstilė, kuri derina lankstias medžiagos pagrindo dalis su standžiais dalelių sustiprintomis dėmėmis. Šis išradimas sprendžia pagrindinį kompromisinį santykį tarp ilgaamžiškumo ir lankstumo, strategiškai integruojant neorganines daleles (IP), tokias kaip aliuminio oksidas, į pasirinktas dėmių vietas. Dėl terminio formavimo, modelis nulemia blokų išdėstymą – rezultatas yra kompozitas, kuriame lankstus medžiagos plotai kontrastuoja su užkietėjusiomis apsauginėmis mazginėmis sritimi.

Svarbios techninės naujovės yra sutelktos į dalelių įvedimo optimizavimą: Aliuminio oksidas (tinklelio dydis 60–240) padidina dėžutės standumą, išlaikant sąsają. Tai dvigubo krašto blokai. Pjaudami, įrankio krašto paviršiuje esančios dalelės sukelia atvirkštinį ašmenų pažeidimą per mikroabraziją ant grėsmingų kraštų. Prieš pradurimą, kietos zonos skatina adatos galo pasyvavimą kartu su tarpais sukelta trinties savęs užrakinimu – tai reiškia, kad audinio tarpai susitraukia ir neleidžia įsiskverbėliui judėti. Komerciniai standartiniai bandymai patvirtina, kad SRUS medžiagos yra vertinamos kaip aukščiausios kokybės pagal pjaudymo ir pradūrimo atsparumą ir kad, lyginant su tradiciniais audiniais, jos suteikia net 38 % didesnį pradūrimo slenkstį.

Ateities patobulinimai nukreipti į dalelių ir dervos sukibimo bei tinklelio gradacijos tobulinimą, siekiant sustiprinti energijos sugertį nekenkiant drobės klostymui ar svoriui. Šis architektūrinis paradigmos pokytis leidžia sukurti naujos kartos apsauginę įrangą aukštojo rizikos sektoriams, kuriems reikalinga nepakompromituota manevringumo ir saugos.

Atsparios medžiagos bandymo standartai ir patvirtinimo protokolai

ASTM/ISO atitikties reikalavimai apsauginėms tekstilėms

Jie turi atitikti griežtas tarptautines standartas, kad išliktų patikimi net pavojingose sąlygose. ISO standartai pateikia visuotinį tokių parametrų kaip atsparumas tempimui ir matmenų stabilumas apžvalgą, tuo tarpu mechaninių savybių, įskaitant atsparumą plyšimui ir nubrozdinimams, tikrinimas yra labai griežtai reglamentuotas ASTM (Amerikos medžiagų bandymo draugijos) specifikacijose. Atitiktis šiems reikalavimams užtikrina, kad jūsų medžiagos atlaikys tik jūsų sektoriui būdingus pavojus – ar tai būtų cheminės medžiagos, liepsnos ar aštrūs smūgiai – ir kartu išlaikysite nuolatą kokybę iš tiekėjų. Pagal šiuos protokolus būtina trečiosios šalių sertifikacija, dėl ko šių produktų naudingumo rezultatai yra pastovūs tiek laboratorinėmis, tiek realiomis sąlygomis.

Smūgio varžymo bandymo metodologijos

Atsparumo paneigimas vertinamas dinaminių dūrių modeliavimo būdu, imituojant pramonės arba taktinės aplinkos apkrovas. Kūginiai ar krašto smūgio įspaudikliai kalibruojami iki tikslaus smūgio jėgos (pvz., 24J–150J), kad būtų galima matuoti energijos sugerties ribą standartinėse kritimo bokštų testuose. Deformacijos spartos apskaičiuojamos remiantis aukštos spartos kameromis, o naudojant apkrovos jutiklius matuojama atsparumo prasiskverbimui. Išbandytoms medžiagoms reikės atitikti pagal lygmenis nustatytus sertifikatus – tokiais kaip ASTM F2878 specifikacijos durtinėms saugos priemonėms – kurios klasifikuoja medžiagas pagal apsaugos lygius nuo minimalaus iki ekstremalaus. Du svarbūs patvirtinimo aspektai yra smūgio ir vibracijos bandymai bei pagreitinto senėjimo protokolai, kuriuose patvirtinama ilgalaikė veikimo savybių stabilumas po pakartotinio poveikio, taigi patvirtinamas ciklinis patikimumas.

Išplėstinės specifikacijos parametrai atsparioms medžiagoms

Išplėstinės techninių charakteristikų specifikacijos apima pridėtinės vertės, o ne tik pagrindinių, plyšių ar nubrozdinimų atsparumo tyrimų rezultatus apsauginėms tekstilėms. Tai yra masės ir dengimo faktoriaus (g/m2 kartu su dengimo faktoriaus %) santykiai, energijos sklaidos (mJ) rodikliai bei temperatūros priklausomybės lankstumo (kai patvirtinta kraštutinėmis sąlygomis) reikšmės. Pavyzdžiui, buvo parodyta, kad pažengę kompozitai gali pasiekti 289 % padidėjimą pradūrimo atsparumo jėgai esant -30 °C temperatūroje ir 330 % pailgėjimui, ką negalima nustatyti tik naudojant įprastus ilgaamžiškumo bandymus.

Yra kompromisas tarp plyšimo stiprio (ASTM D1424) ir nubrozdinimo ciklų (ASTM D3886) bei tarp standumo ir lankstumo savybių. Šie veiksniai daro įtaką naudojimo laikui aukšto dėvėjimo apkrovos sąlygose, tokiose kaip pramoniniai darbo rūbai. Našumo kriterijai dabar apima praktines matavimo priemones, tokias kaip sukiojimo jėgos tolerancija – sukiojimo įtampos riba, kuriai viršijus struktūra pradeda žlugti – kuri patvirtinama pagal konkrečius smūgio testavimo protokolus.

DUK

Kokie yra pagrindiniai apsaugos nuo pjūvių ir pradūrimų mechanizmai?

Pagrindinius apsaugos mechanizmus sudaro medžiagos standinimas, trinties padidinimas ir struktūros pažeidimai kompozitiniuose audiniuose. Tai apima mikrolygio nubrozdinimą ir dalelių sustiprinimą siekiant geresnės apsaugos.

Kaip minkšto-rigido sujungtos struktūros (SRUS) pagerina apsaugą?

SRUS derinoje elastingus ir kietus medžiagas vienoje konstrukcijoje, kad būtų padidinta apsauga, naudojant neorganinius dalelių, tokias kaip aliuminio oksidas. Ji sulygina lankstumą ir ilgaamžiškumą su pažengusiomis apsaugos savybėmis.

Kokiems standartams turi atitikti atsparios medžiagos?

Atsparios medžiagos privalo atitikti ASTM ir ISO standartus, kurie užtikrina aukštas mechanines savybes, tokias kaip tempties stipris, plyšimo atsparumas ir nubrozdinimų atsparumas, tinkamus pramoninėms ir taktinėms aplinkoms.

Kodėl nubrozdinimų atsparumo strategijos yra svarbios?

Jos yra svarbios, nes medžiagų tarnavimo laikas gali būti žymiai sumažintas dėl paviršiaus degradacijos. Naudojant technikas, tokias kaip keraminės nanodangos, galima padidinti paviršiaus kietumą ir pratęsti medžiagos gyvavimo laiką.

Kas yra trinties savaiminio blokavimo principai?

Šie principai apima medžiagos tarpų projektavimą taip, kad užblokuotų ir imobilizuotų svetimkūnius, panaudojant statinės trinties koeficientus, kurie didėja kartu su šoninėmis jėgomis, padidinant adataus atsparumą.