Development of energy absorption capability of present body armor system by adding different filler materials and changing geometry

Abstract

Bu tez çalışması mevcut vücut zırhı sistemlerinin yapısına dolgu malzemeleri ekleyerek enerji sönümleme kapasitelerini arttırmayı amaçlar. Aramid kumaşlarla birlikte kullanılmak üzere dolgu malzemesi olarak düşük yoğunluğu, yüksek özgül basma dayanımı sebebiyle silika esaslı çapraz bağlı aerojel seçilmiştir. Ayrıca aerojel, üzerine gelen gerilmeyi yapısına dağıtabilecek gözenekli bir yapıya sahiptir. Aerojel, çeşitli kimyasallar kullanmak için esnek bir yöntem olan sol-jel metodu ile sentezlendi. Aerojel numuneler basma testleri, fiziksel ve kimyasal analizleri gerçekleştirmek için küçük boyutlarda sentezlendi.Aerojel sentez ve karakterizasyon çalışmalarına paralel olarak, nümerik simülasyon çalışmalarında kullanılmak üzere gerekli olan malzeme datalarını elde etmek için aramid/ epoksi kompozitler vakum yardımlı reçine transfer metodu ile hazırlandı ve mekanik karakterizasyonları gerçekleştirildi. Yarı-statik delme kesme deneyleri malzeme modelini doğrulamak ve kalibre etmek için uygulandı. Daha sonra IIIA tehdit seviyesinde balistik testler aramid/ epoksi kompozitler ve yumuşak formdaki aramid kumaşlarla synthegerçekleştirildi. Aynı zamanda kompozit ve kumaş yapılarındaki kinetik enerji değişimlerini belirlemek için balistik simülasyonları yapıldı. Yapılan balistik testlerdeki tüm aramid/ epoksi kompozit plakaların delinmesi nedeniyle yumuşak formdaki aramid kumaşların kullanılmasına karar verildi. Aramid / epoksi kompozit plakaların ve aramid kumaşların tüm testlerinde meydana gelen hasar mekanizmaları ayrıntılı olarak incelendi.Küçük boyutlu aerojel sentezleri tamamlandıktan sonra büyük ölçek çalışmaları gerçekleştirildi. Sentez çalışmalarında belirli ölçü ve şekillerde aerojel elde etmek için Teflon kalıplar kullanıldı. Daha sonra aerojel numuneler aramid kumaş katmanlarının arasına yerleştirildi ve son zırh yapısı balistik teste tabi tutuldu. Aerojel numuneler, enerji sönümleme kapasitelerinden dolayı, merminin deformasyon tipini etkiledi. Şaşırtıcı şekilde, sadece aramid kumaştan oluşan numunelerin balistik testlerinde 7 kat kumaş delinirken, aerojel içeren aramid kumaş test numunelerinin balistik testinde sadece 2 kat kumaş delindi.

This thesis aims to develop the energy absorption capability of present body armor systems by adding filler materials. Silica-based crosslinked aerogel was chosen as a filler to use with aramid fabrics due to its low density and high specific compressive strength. Also, aerogel has a porous structure that provides propagating to applied stress onto it. Aerogel was synthesized by a sol-gel methodology, which is a flexible method to use various chemicals. Aerogel was synthesized as small scale for compression tests, physical and chemical analyses. In parallel with synthesis and characterization of aerogel, aramid/ epoxy composites were prepared by vacuum assisted resin transfer molding method (VARTM) and their mechanical characterizations were performed to obtain material properties for numerical simulation studies. Quasi-static punch shear tests were performed to verify and calibrate the material model. Then, ballistic tests at Level IIIA threat were conducted with aramid/ epoxy composite and soft form of aramid fabrics. Also, ballistic simulations of composite plates and aramid fabrics were run to determine kinetic energy changes in the composite and fabric structure. It was decided to use aramid fabric in soft form after the all aramid/ epoxy composite plates were perforated in ballistic tests. Damage mechanisms which occurred in all tests of aramid/ epoxy composite plates and aramid fabrics were investigated in detail.Following the completion of the small-scale aerogel synthesis, its scale-up synthesis was realized. Teflon molds were used to obtain fixed dimensions and different shapes of aerogels. Subsequently, they were placed into the layers of aramid fabrics and then ballistic tests were performed to final armor structure. Due to their energy absorption capability, the aerogel samples affected to the deformation type of bullet. Surprisingly, 7 layers of fabric were perforated in ballistic test of neat aramid fabric samples, while only 2 layers of fabric were perforated in the ballistic tests of samples which consist of aramid fabric and aerogel.