Nghiên cứu chế tạo tấm compozit gốm chống đạn - Vũ Đình Khiêm

477 T¹p chÝ Hãa häc, T. 47 (4), Tr. 477 - 482, 2009 NGHI£N CøU CHÕ T¹O TÊM COMPOZIT GèM CHèNG §¹N §Õn Tßa so¹n 6-6-2009 Vò §×nh Khiªm1, Lª Träng ThiÕp2, NguyÔn Quèc Hμ3, Lª Hoμi Anh1 1 E17- Tæng côc Kü thuËt - Bé C«ng an 2 ViÖn Khoa häc - C«ng nghÖ Qu©n sù - Bé Quèc phßng 3 ViÖn Vò khÝ, Tæng côc C«ng nghiÖp quèc phßng - Bé Quèc phßng abstract This paper presented the effect of the ratio, temperature and technology on physico mechanical. Characteristics of ceramic material reinforcing composites for personal body armors production[4]. It was shown that when using 28 wt% of fine aluminium oxide of 1.2 μm size, the flexural strength increased to 28%, Mohrs hardness increased from 6.1 to 8.5 and densityfrom 1.77 g/cm3 to 3.10 g/cm3. The ratio DER-331/DETA and DER-331/Kevlar-129 for productions of ceramic composites armors level III in industrial scale was studied. It showed that the obtained ceramic composite armors could be used against AK 47 bullet with speed of 715 m/s at 15 m distance [5]. I - Më §ÇU VËt liÖu lμm gi¸p chèng ®¹n cã thÓ lμ kim lo¹i, gèm hoÆc compozit. §èi víi c¸c vËt liÖu kh¸c nhau th× c¬ chÕ chèng ®¹n còng kh¸c nhau. §èi víi thÐp kh¶ n¨ng chèng ®¹n do hÊp thô n¨ng l−îng nhê c¬ chÕ ph¸ huû dÎo, cßn ®èi víi nhê c¬ chÕ ph¸ huû dßn. C¬ chÕ chèng ®¹n cña compozit lμ sù tæ hîp cña c¶ hai c¬ chÕ ph¸ huû dÎo vμ ph¸ huû dßn. Gèm sö dông chÕ t¹o vËt liÖu chèng ®¹n cã ®é cøng, ®é bÒn c¬ lý cao, s½n cã, dÔ gia c«ng chÕ t¹o vμ gi¸ thμnh hîp lý. Trªn thÕ giíi vμ ë ViÖt Nam ®· cã nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu vÒ gèm sö dông lμm vËt liÖu compozit chèng ®¹n [2, 3]... C«ng nghÖ chÕ t¹o c¸c s¶n phÈm nμy t−¬ng ®èi phøc t¹p, ®ßi hái m¸y mãc hiÖn ®¹i (lß nung nhiÖt ®é cao, m¸y Ðp chuyªn dông...) do vËy viÖc triÓn khai qui m« c«ng nghiÖp cßn bÞ h¹n chÕ. Bμi b¸o nμy giíi thiÖu kÕt qu¶ nghiªn cøu n©ng cao chÊt l−îng gèm sö dông th«ng th−êng t¹i ViÖt Nam ®Ó chÕ t¹o tÊm compozit gèm chèng ®¹n cÊp III ë qui m« c«ng nghiÖp. II - THùC NGHIÖM 1. §èi t−îng nghiªn cøu Al2O3, ®Êt sÐt, cao lanh, tr−êng th¹ch (ViÖt Nam). Nhùa epoxy (DER331), dietylentriamin (DETA) cña h·ng DOW (Mü). V¶i Kevlar 129 cña h·ng Dupont (Mü). 2. ThiÕt bÞ vμ ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu M¸y nghiÒn bi COLE-PARMER (Mü), lß nung LENTON (Anh), m¸y ®o kÝch th−íc h¹t HORIBA 950 (NhËt B¶n), ThiÕt bÞ b¾n thö nghiÖm SABRE BALLISTIC (Anh), M¸y ®o c¬ lý INSTRON 5582 100 KN (Mü), m¸y chôp kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (NhËt B¶n), lß nung 3 m3: nhiÖt ®é nung ®¹t 1350oC (ViÖt Nam). 478 III - KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN VËt liÖu gèm th«ng th−êng cã thμnh phÇn theo % thÓ tÝch lÇn l−ît lμ: Al2O3 (22%), tr−êng th¹ch (28%), th¹ch anh (11%), cao lanh (25%) vμ ®Êt sÐt (14%). C¸c pha nμy ph©n bè ®ång ®Òu t¹o thμnh khèi vËt liÖu ®ång nhÊt. Tuy nhiªn ®Ó sö dông lμm vËt liÖu chèng ®¹n ®ßi hái ph¶i t¨ng ®é bÒn cho gèm b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau nh−: nghiÒn, phèi trén, Ðp, nung...[1]. Nghiªn cøu nμy nh»m môc ®Ých t¨ng tû lÖ vμ ph©n bè pha Al2O3 ®ång ®Òu h¬n ®Ó t¹o ra s¶n phÈm cã chÊt l−îng tèt, gi¸ thμnh thÊp, ®¸p øng nhu cÇu s¶n xuÊt gèm chèng ®¹n ë qui m« c«ng nghiÖp. 1. Kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña tØ lÖ thμnh phÇn Al2O3/tr−êng th¹ch §· tiÕn hμnh kh¶o s¸t Al2O3/tr−êng th¹ch - víi c¸c tØ lÖ thμnh phÇn theo khèi l−îng kh¸c nhau. Ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o gèm theo c«ng nghÖ ®æ rãt, nhiÖt ®é thiªu kÕt 1200oC, thêi gian 24 giê. KÕt qu¶ ®o tÝnh n¨ng c¬ lý cña c¸c mÉu kh¶o s¸t thÓ hiÖn ë b¶ng 1. B¶ng 1: TÝnh n¨ng c¬ lý cña c¸c mÉu gèm cã tØ lÖ thμnh phÇn kh¸c nhau Al2O3/tr−êng th¹ch STT TÝnh chÊt vËt liÖu 20/30 22/28 24/26 26/24 28/22 30/20 1 §é bÒn uèn, MPa 320,3 335,5 342,6 372,4 385,2 352,7 2 §é cøng, Mohr 5,5 6,1 6,5 6,8 7,0 6,3 3 Tû träng, g/cm3 1,72 1,77 1,82 1,85 1,95 1,67 KÕt qu¶ kh¶o s¸t cho thÊy víi tØ lÖ thμnh phÇn Al203/tr−êng th¹ch lμ 28/22 vËt liÖu cho tÝnh chÊt c¬ lý cao nhÊt, ®é bÒn uèn t¨ng tõ 320,3 MPa lªn 385,2 MPa (t¨ng 11,5%), ®é cøng theo thang Mohr t¨ng tõ 5,5 lªn 7,0. Tû träng t¨ng tõ 1,72 g/cm3 lªn 1,95 g/cm3. MÉu gèm cã tØ lÖ thμnh phÇn Al2O3/tr−êng th¹ch lμ 28/22 ®−îc chän cho qu¸ tr×nh nghiªn cøu tiÕp theo. 2. Kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é thiªu kÕt §èi víi vËt liÖu gèm, ®é kÕt khèi cμng lín th× ®é bÒn vËt liÖu vμ kh¶ n¨ng chèng ®¹n cμng t¨ng. MÉu gèm cã tØ lÖ thμnh phÇn Al2O3/tr−êng th¹ch (28/22) ®−îc kh¶o s¸t nung ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau trong thêi gian 24 giê. TÝnh n¨ng c¬ lý cña c¸c mÉu kh¶o s¸t ®−îc tr×nh bμy trong b¶ng 2. B¶ng 2: ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Õn tÝnh chÊt c¬ lý cña gèm NhiÖt ®é, oC STT TÝnh chÊt c¬ lý 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1 §é bÒn uèn, MPa 320,1 348,6 385,2 396,2 398,5 398,7 2 §é cøng, Mohr 5,1 6,3 7,0 7,5 7,5 7,5 3 Tû träng, g/cm3 1,68 1,78 1,95 2,3 2,3 2,3 Tõ kÕt qu¶ kh¶o s¸t ë b¶ng 2 cho thÊy ë nhiÖt ®é nung 1250oC, 1300oC vμ 1350oC vËt liÖu cho tÝnh chÊt c¬ lý cao nhÊt: ®é bÒn uèn t¨ng tõ 320,1 MPa lªn 396,2 MPa, ®é cøng tõ 5,1 lªn 7,5 Mohr, tØ träng tõ 1,68 lªn 2,3 g/cm3. Tuy nhiªn, nÕu nung ë nhiÖt ®é cao gi¸ thμnh s¶n phÈm sÏ t¨ng. Do vËy, nhiÖt ®é thiªu kÕt gèm tèi −u lμ 1250oC. 3. Kh¶o s¸t c«ng nghÖ chÕ t¹o theo c¸ch Ðp Trong phÇn kh¶o s¸t nμy c¸c mÉu gèm ®−îc t¹o h×nh theo c¸ch Ðp. C¸c mÉu gèm cã tØ lÖ thμnh phÇn Al2O3/tr−êng th¹ch (28/22) ®−îc Ðp ë ¸p lùc 50 KG/cm2 trong thêi gian 5 phót sau ®ã sÊy mÉu ë nhiÖt ®é 80oC trong thêi gian 24 giê vμ thiªu kÕt trong lß nung ë nhiÖt ®é 479 1250oC. KÕt qu¶ ®o tÝnh n¨ng c¬ lý (cã so s¸nh víi c¸c mÉu t−¬ng tù theo ph−¬ng ph¸p rãt) ®−îc thÓ hiÖn ë b¶ng 3. Qua b¶ng 3, cho thÊy r»ng khi thay ®æi c«ng nghÖ rãt b»ng Ðp, ®é bÒn uèn t¨ng tõ 396,2 lªn 415 MPa, ®é cøng t¨ng tõ 7,5 lªn 8,2 Mohr, tû träng t¨ng tõ 2,3 lªn 2,8 g/cm3. C¸c mÉu gèm sau khi thiªu kÕt ®· ®−îc tiÕn hμnh kh¶o s¸t cÊu tróc b»ng chôp ¶nh kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt. KÕt qu¶ tr×nh bμy trong h×nh 1. B¶ng 3: ¶nh h−ëng cña c«ng nghÖ chÕ t¹o ®Õn ®é bÒn c¬ lý c¸c mÉu gèm C«ng nghÖ chÕ t¹o STT TÝnh chÊt c¬ lý §æ rãt Ðp thñy lùc 1 §é bÒn uèn, MPa 396,2 415 2 §é cøng, Mohr 7,5 8,2 3 Tû träng, g/cm3 2,3 2,8 (a) (b) H×nh 1: ¶nh chôp kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt cña mÉu gèm sö dông c«ng nghÖ ®æ rãt (a) vμ c«ng nghÖ Ðp (b) Qua ¶nh chôp SEM thÊy râ cÊu tróc cña mÉu gèm gia c«ng b»ng c¸ch Ðp ®Æc khÝt h¬n h¼n so víi mÉu gia c«ng b»ng c¸ch rãt. ChÝnh v× thÕ tÝnh n¨ng c¬ lý cña nã cao h¬n, bÒ mÆt ph¸ huû mÉu mÞn, ph¼ng vμ ®Òu h¬n. 4. Kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña kÝch th−íc h¹t Al2O3 Bét Al2O3 ®−îc nghiÒn trªn m¸y nghiÒn bi víi tû lÖ bét/bi/n−íc = 3/5/2, tèc ®é nghiÒn lμ 100 vßng/phót. C¸c mÉu ®−îc lÊy ®Òu ®Æn c¸ch nhau 08 giê ®Ó ph©n tÝch kÝch th−íc h¹t sau khi nghiÒn [2]. KÕt qu¶ kh¶o s¸t kÝch th−íc h¹t cña bét Al2O3 ®−îc thÓ hiÖn ë b¶ng 4. B¶ng 4 cho thÊy sau 32 giê nghiÒn, kÝch th−íc h¹t ®¹t 1,2 μm. T¨ng thêi gian nghiÒn lªn 40 giê vμ 48 giê th× kÝch th−íc h¹t kh«ng nh÷ng kh«ng gi¶m xuèng mμ cßn cã chiÒu h−íng t¨ng lªn. Cã thÓ khi kÝch th−íc h¹t qu¸ mÞn cã hiÖn t−îng vãn côc x¶y ra. Do vËy, kÝch th−íc h¹t 1,2 μm ®−îc dïng ®Ó chÕ t¹o mÉu gèm kh¶o s¸t [1, 2]. Bét Al2O3 sau khi nghiÒn mÞn ®−îc phèi trén, Ðp tÊm vμ thiªu kÕt. MÉu ®−îc ®o tÝnh n¨ng c¬ lý vμ chôp ¶nh SEM. KÕt qu¶ thÓ hiÖn ë b¶ng 5 vμ h×nh 2. B¶ng 4: KÕt qu¶ kh¶o s¸t kÝch th−íc h¹t Al2O3 Thêi gian nghiÒn, giê TÝnh chÊt bét Al2O3 8 16 24 32 40 48 KÝch th−íc h¹t trung b×nh, μm 52,4 25,5 8,3 1,2 1,23 1,24 480 B¶ng 5: KÕt qu¶ kh¶o s¸t tÝnh n¨ng c¬ lý cña gèm sö dông Al2O3 mÞn STT TÝnh n¨ng c¬ lý KÕt qu¶ 1 §é bÒn uèn, MPa 430 2 §é cøng, Mohr 8,5 3 Tû träng, g/cm3 3,1 H×nh 2: ¶nh chôp kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM) gèm sö dông Al2O3 mÞn Tõ kÕt qu¶ kh¶o s¸t ë b¶ng 5 nhËn thÊy ®é bÒn c¬ lý cña mÉu gèm sö dông Al2O3 mÞn víi kÝch th−íc h¹t lμ 1,2 μm cã ®é bÒn c¬ lý cao h¬n so víi mÉu Al2O3 ch−a nghiÒn: ®é bÒn uèn t¨ng tõ: 415 MPa lªn 430 MPa, ®é cøng Mohr t¨ng tõ 8,2 lªn 8,5 vμ tØ träng t¨ng 2,8 g/cm3 lªn 3,1 g/cm3. So s¸nh ¶nh SEM trªn h×nh 2 vμ h×nh 1 cho thÊy, ë h×nh 2 c¸c lç xèp xuÊt hiÖn ®Òu vμ bÒ mÆt ph¸ huû còng ph¼ng vμ nh½n h¬n so víi ë h×nh 1. §iÒu ®ã chøng tá sù g¾n kÕt ph©n bè gi÷a c¸c thμnh phÇn trong vËt liÖu ë h×nh 2 tèt vμ ®Òu h¬n so víi ë h×nh 1 [3]. 5. Kh¶o s¸t chÕ t¹o gi¸p chèng ®¹n compozit gia c−êng b»ng gèm a) Kh¶o s¸t thêi gian gel ho¸ vμ hμm l−îng phÇn gel DER331/DETA Nhùa nÒn DER331 ®−îc trén hîp víi chÊt ®ãng r¾n DETA ë nhiÖt ®é phßng víi tØ lÖ phÇn träng l−îng kh¸c nhau. TiÕn hμnh x¸c ®Þnh thêi gian gel ho¸ vμ hμm l−îng phÇn gel. KÕt qu¶ kh¶o s¸t thÓ hiÖn ë b¶ng 6 vμ 7. B¶ng 6: KÕt qu¶ kh¶o s¸t thêi gian gel ho¸ cña nhùa nÒn STT DER-331/DETA Thêi gian gel hãa, phót 1 100/8 145 2 100/9 75 3 100/10 48 4 100/11 27 5 100/12 19 B¶ng 7: KÕt qu¶ kh¶o s¸t hμm l−îng phÇn gel cña nhùa epoxy DER-331 ®ãng r¾n b»ng DETA Hμm l−îng phÇn gel % STT DER331/ DETA 3 ngμy 4 ngμy 5 ngμy 6 ngμy 7 ngμy 8 ngμy 9 ngμy 10 ngμy 11 ngμy 1 100/8 53,35 56,70 58,29 59,45 60,45 61,39 63,80 63,85 63,92 2 100/9 55,65 58,29 59,35 60,25 61,46 62,78 64,15 64,17 64,19 3 100/10 59,24 63,09 64,35 65,46 66,31 68,21 70,35 70,52 70,53 4 100/11 67,12 67,91 68,32 68,91 69,75 70,29 70,55 70,75 70,77 5 100/12 68,77 68,93 69,15 69,25 69,95 71,03 71,12 71,15 71,16 Tõ kÕt qu¶ b¶ng 6 vμ 7 nhËn thÊy, víi tØ lÖ 100/10 cho hμm l−îng phÇn gel cao ®¹t 70,35 % sau thêi gian lμ 9 ngμy vμ thêi gian lμ gel ho¸ lμ 48 phót. T¨ng tû lÖ DER331/DETA chØ ®ãng r¾n nhanh h¬n chø hμm l−îng gel kh«ng t¨ng ®¸ng kÓ. KÕt qu¶ nμy phï hîp víi c«ng nghÖ l¨n Ðp b»ng tay chÕ t¹o vËt liÖu chèng ®¹n [4]. b) Kh¶o s¸t tÝnh n¨ng c¬ lý cña tÊm polyme compozit TÊm polyme compozit (PC) trªn c¬ së v¶i kevlar vμ nhùa nÒn (DER331/DETA) ®−îc gia 481 c«ng b»ng ph−¬ng ph¸p l¨n Ðp b»ng tay ë nhiÖt ®é phßng. TiÕn hμnh kh¶o s¸t ¶nh h−ëng tØ lÖ v¶i/nhùa theo phÇn träng l−îng víi c¸c tØ lÖ kh¸c nhau. KÕt qu¶ kh¶o s¸t thÓ hiÖn ë b¶ng 8. B¶ng 8: ¶nh h−ëng cña tØ lÖ v¶i/nhùa ®Õn tÝnh n¨ng c¬ lý cña vËt liÖu TT TØ lÖ v¶i/nhùa §é bÒn kÐo, MPa §é bÒn uèn, MPa §é bÒn nÐn, MPa §é bÒn va ®Ëp, KJ/m2 1 50/50 203,3 124,1 20,4 165,9 2 60/40 245,6 255,3 35,1 198,6 3 70/30 225,1 194,8 23,6 175,9 4 80/20 212,5 164,2 21,9 164,1 KÕt qu¶ x¸c ®Þnh tÝnh n¨ng c¬ lý vËt liÖu cho thÊy víi tØ lÖ thμnh phÇn v¶i/nhùa: 60/40 cho tÝnh n¨ng c¬ lý cao: ®é bÒn kÐo 245 MPa, ®é bÒn uèn 255,3 MPa, ®é bÒn nÐn 35,1 MPa vμ ®Æc biÖt ®é bÒn va ®Ëp ®¹t 198,6 KJ/m2. c) ChÕ t¹o gi¸p chèng ®¹n TÊm chèng ®¹n cã kÝch th−íc 25x30x2cm ®−îc t¹o thμnh tõ tÊm PC ghÐp víi gèm nhê keo d¸n DER331/DETA víi tØ lÖ 100/10 ë nhiÖt ®é phßng. §Ó æn ®Þnh trong thêi gian 9 ngμy. B¾n thö nghiÖm trªn thiÕt bÞ b¾n SABRE BALLISTIC (Anh) [5]. KÕt qu¶ b¾n thö nghiÖm thÓ hiÖn trªn h×nh 3. Cho thÊy khi b¾n ë cù li 15 m víi sè ®iÓm b¾n lμ 6 ®iÓm, s¶n phÈm cã kh¶ n¨ng chèng ®¹n tèt, kh«ng thñng, bÒ mÆt phÝa sau cã ®é phång thÊp (10 mm) vμ kÕt qu¶ ®o ®−îc ®¸nh gi¸ th«ng qua bia ®o ®é lón sö dông ®Êt sÐt chuyªn dông phï hîp víi tiªu chuÈn NIJ 0101.04-2001. §iÒu nμy cã thÓ ®−îc gi¶i thÝch nh− sau: khi ®Çu ®¹n va ®Ëp m¹nh vμo gèm víi tèc ®é 715 m/s lμm gèm bÞ nøt vì thμnh c¸c m¶nh nhá h×nh sao, d−íi t¸c ®éng sãng øng suÊt c¸c vÕt nøt ®ång trôc h×nh nªm xuÊt hiÖn b¾t ®Çu t¹i ®iÓm va ®Ëp vμ h×nh thμnh vÕt nøt h×nh nãn. T¹i ®©y n¨ng l−îng ®Çu ®¹n sÏ bÞ hÊp thô mét phÇn, n¨ng l−îng d− cßn l¹i ®−îc hÊp thô b»ng líp polyme compozit phÝa sau. (a) (b) (c) H×nh 3: ¶nh chôp tÊm compozit chèng ®¹n mÆt tr−íc (a) mÆt sau (b) vμ c¸c tÊm gèm chèng ®¹n (c) IV - KÕT LUËN §· nghiªn cøu n©ng cao chÊt l−îng gèm th«ng th−êng t¹i ViÖt Nam víi tû lÖ theo % thÓ tÝch nh− sau: Al2O3 (28%), tr−êng th¹ch (22%), th¹ch anh (11%), cao lanh (25%) vμ ®Êt sÐt (14%). KÕt qu¶ kh¶o s¸t cho thÊy khi sö dông 28% Al2O3 mÞn víi kÝch th−íc 1,2 μm ®é bÒn vËt liÖu t¨ng: §é bÒn uèn t¨ng lªn 28,3%; ®é cøng theo thang Mohr t¨ng tõ 6,1 lªn 8,5 vμ tû träng t¨ng tõ 1,77 g/cm3 lªn 3,1 g/cm3. Gèm ®−îc chÕ t¹o b»ng c«ng nghÖ Ðp thuû lùc vμ ®−îc thiªu kÕt ë nhiÖt ®é 1250oC trong thêi gian 24 giê. §· nghiªn cøu t×m ra tû lÖ DER-331/DETA vμ tû lÖ v¶i/nhùa tèi −u ®Ó chÕ t¹o tÊm compozit gèm chèng ®¹n cÊp III ë qui m« c«ng nghiÖp. KÕt qu¶ kh¶o s¸t cho thÊy tÊm compozit gèm 482 chèng ®−îc ®¹n AK47 víi s¬ tèc 715 m/s ë cù li 15 m. TμI LIÖU THAM KH¶O 1. R. W. Rice. Machining of ceramic, Ceramic for high performance application, Brook Hill Publ. Comp, 287 - 343 (1974). 2. N. K. Nail, P. Shrirao. Composite structures, Vol. 66(1-4), 579 - 590 (2003). 3. Eugene Medvedovski. American Ceramic Society Bulletin, Vol. 81, 47 - 50 (2002). 4. N. K. Nail, P. Shrirao and B. C. K. Reddy. Ballistic impact behavour of woven fabric composites: Formulation, International Joural of impact engineering, Inpress, Corrected proof, Vol. 2 (1), 54 - 58 (2005). 5. NIJ Standard-0101.04, Ballistic Resitance of Personal Body Armor, 15 - 20 (2001). T¸c gi¶ liªn hÖ: Vò §×nh Khiªm E17- Tæng côc Kü thuËt, Bé C«ng an.