Technical fibres reinforcing the composite material

W artykule dokonano przeglądu osiągnięć w zakresie włókien szklanych, węglowych, aramidowych, polietylenowych, polipropylenowych i ceramicznych. Omówiono metody wytwarzania, strukturę, właściwości mechaniczne i cieplne tych materiałów, a także ich wykorzystanie do wytwarzania lekkich i wytrzymałych kompozytów polimerowych, mających szerokie zastosowanie w inżynierii materiałowej i nowoczesnych technologiach.The article consists in a review of achievements in the field of glass, carbon, aramid polyethylene, polypropylene and ceramic fibres. The manufacturing methods, structure, mechanical and thermal properties of the materials were discussed, as well as using them for making-up the lightweight and durable polymeric composites, which find wide applications at the materials engineering and modern technologies

Prognozowanie trwałości kompozytowych miękkich wkładów balistycznych

The main goal of this research was to develop a method of predicting the durability of soft ballistic inserts made of a high-strength composite based on polyethylene ultra-high molecular weight (UHMWPE) fibres. The research presents a program of tests on the simulated use of composite ballistic inserts elaborated in order to predict the durability as well as changes in the ballistic, physical and mechanical properties occurring due to conditions of use. The research program took the following three procedures of the aging simulation of the ballistic inserts into account: procedure 1 – applying a mechanical load to the insert; procedure 2 – applying a mechanical load along with a temperature cycle to the insert; procedure 3 – applying a mechanical load, temperature cycle and liquid solution simulating human perspiration to the insert. The procedures were verified experimentally by examining inserts made out of soft composite polyethylene Dyneema® SB 21. Also verification by means of the Snedecor’s F-test was carried out. It was shown that the effect of mechanical loading, temperature cycling, and the solution simulating human perspiration influences the progress of degradation of the polyethylene material. The research work included testing new ballistic inserts made of a polyethylene composite, as well as ones subjected to simulation ageing. To investigate the correlation between the natural ageing process and the simulated one, ballistic inserts used under natural conditions for 5, 7, 9 and 13 years were examined. Selected samples were used for the determination of mechanical and ballistic property variation as well as changes in their chemical structure. Changes in the microstructure of the ballistic material were assessed by DSC analysis and infrared spectroscopy (FTIR-ATR).Głównym celem realizowanych prac było opracowanie metody prognozowania trwałości miękkich wkładów balistycznych wykonanych z wysokowytrzymałego kompozytu na bazie polietylenu o bardzo dużym ciężarze cząsteczkowym(UHMWPE). W artykule przedstawiono program badań symulacji użytkowania kompozytowych wkładów balistycznych, który opracowano celem prognozowania trwałości, a tym samym przewidywania zmian parametrów balistycznych, fizyko-mechanicznych wkładów ochronnych, zachodzących pod wpływem warunków eksploatacji. Wnioskowanie odnośnie zmian stanu technicznego wyrobów balistycznych pod wpływem warunków przechowywania i użytkowania wymagało zweryfikowania opracowanej metodyki badawczej i przeprowadzenia badań uwzględniających metodę przyspieszonego starzenia. W ramach pracy badaniom poddano nowe pakiety balistyczne wykonane z kompozytu polietylenowego, jak również poddane starzeniu laboratoryjnemu. Celem zbadania korelacji między procesami starzenia naturalnego i symulowanego zbadano pakiety balistyczne użytkowane w warunkach naturalnych przez 5, 7, 9 i 13 lat. Dla wytypowanych próbek zostały przeprowadzone badania właściwości mechanicznych i balistycznych oraz zmian ich struktury chemicznej. Zmiany w strukturze materiałów balistycznych oceniono za pomocą metod: analizy termicznej DSC, spektroskopii w podczerwieni (FTIR-ATR)

Aramid/polyethylene based hybrid ballistic composite for helmet splinter – fabrication and research

W artykule przedstawiono wycinek wyników prac związanych z opracowaniem kulo- i odłamkoodpornego hełmu z czerepem z kompozytu hybrydowego wykonanym na bazie włókien aramidowych TWARON® i polietylenowych DYNEEMA®. Opisano technologię wykonania tego kompozytu na przykładzie czerepu hełmu oraz przedstawiono wyniki badań odporności balistycznej tych czerepów dla różnych rozwiązań materiałowych. Wyniki badań przedstawiono w odniesieniu do siły odrywania w obszarze kompozytu jednorodnego (polietylenowego i aramidowego) oraz na granicy faz kompozyt aramidowy – kompozyt polietylenowy, która jest miarą spójności materiałowej kompozytu hybrydowego. Stopień zrównoważenia struktury kompozytu oceniono za pomocą prędkości ΔV, która jest wyznaczana podczas określania granicy ochrony balistycznej V50 i stanowi różnicę najwyższej prędkości odłamka standardowego przy penetracji częściowej pancerza i najniższej prędkości tego odłamka, przy której nastąpiła penetracja całkowita pancerza.The article shows part of research results on creating bullet- and fragment-proof helmet made of hybrid composite based on aramide TWARON™ and polyethylene DYNEEMA™ fibers. Production technology as well as results of ballistic tests of different material arrangements are shown. Results are presented in comparison with tensile strength of homogeneous composite (polyethylene and aramid) and on the interface of aramid and polyethylene which is the measure of consistency of materials. Degree of composite structure sustainability was evaluated using ΔV velocity which is set when determining the V50 ballistic limit and is the difference between highest velocity of Fragment Simulating Projectile (FSP) for which partial armor penetration has occurred and lowest velocity of that fragment for which complete armor perforation was observed

Hybrydowe, kompozytowe układy balistyczne z zaawansowaną ceramiką i włóknami UHMWPE

The aim of the research was to develop a new concept of hybride composite armour systems consisting of a ceramic and fibrous composite. Depending on the requirements for ballistic protection, armour systems may be designed to various configurations and weights based on the most suitable ceramic materials and backing. The article describes the development of a hybrid ceramic - multi-layered ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) composite armour made from silicon carbide (SiC) or aluminium oxide (Al2O3) of different thicknesses (3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 17.27 and 13.35 mm) and shapes (hexagonal and cylindrical) in combination with a polyethylene fibrous composite. Additionally research work developed a confinement system for the hybrid ceramic - multi-layered UHMWPE composite armour which significantly improves the ballistic performance of composite armour by creation of a uniform compression condition of the ceramic and by reducing its fragmentation upon impact. The ballistic armour strength was tested according to the PN-V-87000:2011, NIJ 0101.04 standard and NATO STANAG 4569 (AEP-55 Vol.1) standard for protection against more than one shot (multi-hit). The hybrid ceramic - multi-layered UHMWPE composite armour was combined with basic fibrous ballistic armours which exhibited a ballistic strength compatible with level IIIA according to the NIJ 0101.04 standard and classes K2 and O3 according to the PN-V-87000: 2011 standard.Celem badań było opracowanie nowej koncepcji hybrydowych, kompozytowych układów balistycznych na bazie ceramiki oraz kompozytów włóknistych. W zależności od wymagań ochrony balistycznej, układy balistyczne projektowano w różnych konfiguracjach i masach, wykorzystując odpowiednie materiały ceramiczne i te przeznaczone na tylną cześć pancerza. W artykule przedstawiono wyniki prac mające na celu opracowanie hybrydowych ceramiczno-polietylenowych kompozytów balistycznych wykonanych z ceramiki na bazie węglika krzemu (SiC) i tlenku glinu (Al2O3) o różnej grubości (3.0 mm, 3.5 mm 4.0 mm, 4.5 mm, 17.27mm, 13.35 mm) oraz kształcie (heksagonalny i cylindryczny), w połączeniu z włóknistym kompozytem polietylenowym. Dodatkowo praca badawcza doprowadziła do opracowania systemu zabezpieczającego hybrydowe ceramiczno-polietylenowe kompozyty balistyczne, który znacząco poprawił skuteczność balistyczną pancerzy kompozytowych poprzez wytworzenie jednorodnych warunków kompresji ceramiki, a także dzięki zmniejszeniu jej fragmentacji po uderzeniu. Badania odporności balistycznej pancerzy prowadzono zgodnie z normą PN-V-87000:2011, NIJ 0101.04 oraz procedurą badawczą opartą na normie NATO STANAG 4569 (AEP-55 Vol.1) w zakresie ochrony przed więcej niż jednym strzałem (multi-hit). Badania balistyczne hybrydowych ceramiczno-polietylenowych kompozytów balistycznych prowadzono w zestawieniu z opracowanymi podstawowymi włóknistymi pancerzami balistycznymi, wykazującymi odporność balistyczną zgodną z poziomem IIIA normy NIJ 0101.04 oraz klasami K2 i O3 wg PN-V-87000:2011

Opracowanie hełmu balistycznego z wykorzystaniem materiałów włóknistych na bazie UHMWPE

The main aim of the work was to develop a hybrid bullet- and fragment proof helmet protecting the user’s head against small arm ammunition and fragments as well as mechanical impacts. In the construction of the shell, the latest generation of ballistic materials were used, developed on the basis of para-amide fabric coated with a thermosetting resin and high molecular weight polyethylene (UHMWPE). The idea of the study was based on the thesis that the stable connection of two types of fibrous materials differing in their structure, topography as well as in the type of the polymer (para-aramid and polyethylene) will increase the ballistic resistance as well as allow to reduce the mass of the final products. The results of research in the field of the screening of fibrous materials, the process of elaboration as well as the design of bullet- and fragment-proof hybrid helmets are also presented. The ballistic helmets designed were verified within the wide scope of requirements described in PN-V-87001:2011 as well as in the NIJ Standards.Głównym celem pracy było opracowanie hybrydowego hełmu kulo- i odłamkoodpornego chroniącego głowę użytkownika przed pociskami małokalibrowej broni strzeleckiej oraz odłamkami i uderzeniami mechanicznymi. W konstrukcji czerepu zastosowano surowce balistyczne najnowszej generacji, na bazie których opracowano kompozyt składający się z preimpregnatu tkaniny para-amidowej powleczonej żywicą termoutwardzalną oraz polietylenu o bardzo dużym ciężarze cząsteczkowym (UHMWPE). Ideę badań oparto na tezie, że stabilne połączenie obu typów materiałów włóknistych, różniących się strukturą, topografią, jak również rodzajem polimeru (paraaramid oraz polietylen), zwiększy odporność balistyczną oraz pozwoli na zmniejszenie masy końcowych produktów. W pracy przedstawiono wyniki badań wytypowanych materiałów włóknistych, proces opracowania, jak również projektowania hybrydowego kulo- i odłamkoodpornego hełmu. Zaprojektowane hełmy balistyczne zweryfikowano w szerokim zakresie wymagań opisanych w normie PN-V-87001:2011, a także w normach NIJ Standards

Coatings manufactured using magnetron sputtering technology to protect against infrared radiation for use in firefighter helmets

The aim of this study was to test the usefulness of magnetron sputtering technology to produce coatings on selected elements of a firefighter’s helmet to protect against infrared radiation (PN-EN 171 standard). The scope of research includes testing the deposition produced via magnetron sputtering of metallic and ceramic coatings on plastics, which are used to manufacture the components comprising the personal protection equipment used by firefighters. The UV-VIS, NIR used to research the permeation coefficients and reflections for light and infrared light and the emission spectrometry with ICP-AES used for the quantitative analysis of elements in metallic and ceramic coatings. Microstructural and micro-analytical testing of the coatings were performed using scanning electron microscopy (SEM). Measurements of the chemical compositions were conducted using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The hardnesss of the coatings were tested using a indentation method, and the coating thicknesses were tested using a ellipsometry method

Wpływ warunków prasowania na właściwości kompozytu na bazie włókien polietylenowych

The aim of this study was to analyze the influence of the main pressing parameter, i.e. temperature of a ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fibrous sheet Dyneema ® HB26, on the performance of resultant UHMWPE-fibre reinforced polymer matrix composites intended for the manufacturing of ballistic personal protection. The main goal of this research was to connect the pressing temperature of the initial polyethylene fibrous material and the main performance feature, i.e. the ballistic behaviour of the resultant composites. The polyethylene composites, designed at various temperatures, were subjected to testing of ballistic, mechanical, thermal (DSC) and structural (FTIR) properties, as well as the surface topography by means of scanning electron microscopy (SEM). Attempts were made to determine the correlation between ballistic and mechanical properties of the various types of polyethylene composites designed and their structural and surface properties. Phenomena accompanying the pressing process of the fibrous polyethylene composites at various temperatures are discussed along with attempts to estimate the mechanisms of changes. This research allowed for the determination of optimal pressing conditions for fibrous polyethylene material to obtain a composite with optimal features for ballistic and personal protection application.Celem pracy była analiza wpływu temperatury prasowania nietkanego wyrobu polietylenowego (UHMWPE) Dyneema® HB26 na właściwości wytworzonego kompozytu przeznaczonego do balistycznych ochron osobistych. Głównym celem było określenie współzależności miedzy temperaturą prasowania a odpornością balistyczną otrzymanych kompozytów. Wytworzone w różnych temperaturach kompozyty poddano badaniom odporności balistycznej oraz właściwości: mechanicznych, termicznych i strukturalnych, i także badaniom morfologii powierzchni. Podjęto próbę określenia zależności pomiędzy odpornością balistyczną, a właściwościami mechanicznymi zaprojektowanych kompozytów polietylenowych, jak również ich właściwościami strukturalnymi i powierzchniowymi. Przedyskutowano zjawiska towarzyszące prasowaniu kompozytów polietylenowych w różnych temperaturach, a nastepniepodjęto próbę określenia mechanizmów tych procesów oraz oszacowania zmian zachodzących w kompozytach. Badania pozwoliły na określenie optymalnej wartości temperatury prasowania tego wyrobu