NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT CÓ KHẢ NĂNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CHỐNG ĐẠN .TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KH&CN VIỆT NAM

VIỆN HỐ HỌC


Ngơ Cao Long

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT CÓ KHẢ
NĂNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CHỐNG ĐẠN

Chun ngành : Hóa lý thuyết và Hố lý
Mã số
: 62.44.01.19

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2015


Cơng trình được hồn thành tại:
Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam


Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS Nguyễn Đức Nghĩa
2. PGS. TS Ngô Trịnh Tùng

Phản biện 1: GS. TS. Thái Hoàng
Phản biện 2: GS. TS. Lâm Ngọc Thiềm

Phản biện 3: GS. TS. Phan Hồng Khôi

Luận án sẽ đư ợc bảo vệ trư ớc Hội đồng chấm luận án cấp nhà nư ớc
họp tại: Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam.
vào hồi ...... giờ ..... ngày ...... tháng...... năm......

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Thư viện Viện

học


A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1. Tính cấp thiết và mục đích nghiên cứu của luận án
- Tính cấp thiết của luận án: Trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng,
việc phát triển vật liệu n nocompozit trên cơ sở sợi siêu bền gi cường các
vật liệu nano nhằm tạo ra sản phẩm chống đạn cấp c o hơn luôn được quan
tâm nghiên cứu. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng chế tạo được giáp
chống lại các vũ khí sát thương c sức công phá lớn như đạn pháo, tên
lử
o đ các phương pháp ng tr ng luôn được quan tâm, dẫn tới sự
r đời và phát triển vật liệu hấp th s ng điện từ. Thực tế, khả năng chống
đạn và khả năng hấp th s ng điện từ của vật liệu compozit đều tăng theo
độ dầy, cho thấy tiềm năng kết hợp hai tính chất này trong một hệ
compozit duy nhất ưu việt hơn
- Mục đích: Chế tạo thành cơng hệ vật liệu nanocompozit có khả
năng chống đạn tốt, hấp th s ng điện từ tối ưu trên cơ sở vật liệu
nanocompozit, polyme dẫn và vải sợi c độ bền cao nhằm ứng d ng có
hiệu quả trong ngành kỹ thuật cao ph c v an ninh quốc phòng với đề tài

“ h c chế
ậ
c
c h
hấ hụ
đ
và ch
đ
.
2. Nội dung nghiên cứu của luận án
- Chế tạo n nocompozit trên cơ sở nanocompozit củ gr phen và ống
nano cacbon với pol me ẫn (polyanilin, Polypyrol) và lự chọn hệ vật
liệu c khả năng hấp th s ng điện từ tối ưu tốt nhất
- Tối ưu điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu chống đạn trên cơ sở vải
sợi evl r và vải sợi c c on nền nhự epo
gi cường vật liệu
nanocompozit hấp th s ng điện từ.
- Tính toán đư r kết cấu chống đạn tối ưu trên cơ sở mô phỏng số
và bắn thử nghiệm thực tế, khảo sát khả năng hấp th s ng điện từ của vật
liệu chế tạo được.
3. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và đóng góp mới của luận án
- Đ chế tạo thành công các hệ vật liệu chống đạn trên cơ sở
nanocompozit vải sợi c c on epo
gi cường graphen/
và
n nocompozit vải sợi evl r epo gi cường graphen/PPy với c ng chế
độ công nghệ tối ưu và khảo sát khả năng chống đạn củ chúng, từ đó lựa
chọn được kết cấu chống đạn tối ưu

- Chế tạo được hệ vật liệu nanocompozit trên cơ sở vải sợi evl r vải
sợi c c on nền nhự epo
gi cường graphen-PPy có khả năng hấp th
s ng điện từ tốt.
- Vật liệu n nocompozit t hợp vải sợi cacbon/Kevlar/epoxy/
gr phenc khả năng hấp th s ng điện từ và chống đạn súng
súng
tốt ết uả của luận án mở r hướng nghiên cứu vật liệu mới
ứng ng trong chế tạo giáp chống đạn bền hơn nhẹ hơn đồng thời c khả
năng ng tr ng hiệu uả cho các phương tiện cá nhân khí tài u n sự
tránh bị phát hiện bởi r đ ăng X nhằm nâng cao hiệu quả tác chiến khi
chiến đấu, ph c v thiết thực cho cơng tác đảm bảo an ninh quốc phịng.
4. Bố cục của luận án
Luận án gồm 129 tr ng được trình bày trong 5 phần: Mở đầu 3 trang;
Chương 1 T ng quan 36 tr ng; Chương 2 Đối tượng và phương pháp
nghiên cứu 13 tr ng; Chương 3 Nghiên cứu, khảo sát tính chất của các hệ
vật liệu sử d ng làm giáp chống đạn 64 trang; Kết luận chung 1 trang và
tài liệu tham khảo 11 trang.
B. NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN
Chương 1. Tổng quan
Đ tập hợp 105 tài liệu tham khảo về các nội ung và đối tượng
nghiên cứu của luận án gồm: vật liệu nanocompozit, vật liệu hấp th sóng
điện từ, vật liệu compozit chống đạn; t ng quan về nghiên cứu vật liệu
chống đạn và hấp th s ng điện từ, và rút ra kết luận như s u:
- Vải sợi evl r sợi c c on và compozit củ chúng được sử ng ph
iến trong chế tạo giáp chống đạn cá nh n và các phương tiện chiến đấu
- Vật liệu nanocompozit của CNT và graphen với polyme dẫn
(polypyrol, polyanilin) có tính chất điện mơi tốt độ dẫn điện cao, có tiềm
năng ứng d ng chế tạo vật liệu hấp th s ng điện từ.
- Luận án sử d ng phương pháp thử nghiệm vật liệu chống đạn theo

tiêu chuẩn NIJ 01.01.06 của Hoa Kỳ và phương pháp mô phỏng số sử
d ng phần mềm Autodyn Ansys 12.
Chương 2. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu
2.1. Hóa chấ

hiế

ị

2.1.1. Hóa chấ
- Ống n noc c on đ tường do Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ chế tạo bằng phương pháp CV ; Graphen N008N, Angstron
2


material, Hoa Kỳ; Vải sợi cacbon loại CF3327, Hankuk Carbon, Hàn
Quốc; Vải sợi Kevlar A802F, Dupont, Hoa Kỳ; Nhựa epoxy loại Epikote
815, Shell Chemical, Mĩ; Pyrol (98%), erck Đức; Anilin (98%) erck
Đức; Sắt (III) clorua hexahydrat (>99%) erck Đức và một số hóa chất
khác.
2.1.2. Thiế

ị

ụng cụ

Thiết bị chế tạo: máy ép thủy lực có gia nhiệt loại 30 tấn, Carver,
Hoa Kỳ và loại 150 tấn
nch ng Đài Lo n; Tủ sấy và tủ sấy hút chân
không emert Đức; Máy khuấ cơ má khuấy từ gia nhiệt, bể rung siêu

âm SW60H; Khuôn chế tạo pha nền; khuôn ép thủy lực.
Thiết bị nghiên cứu: á đo ph hồng ngoại FT-IR IMPACT- 410;
á đo ph raman LabRAM HR, Horiba, Nhật; Máy kéo nén uốn đ năng
Tinius Olsen H100 KT, Hounfield, Anh, Máy phân tích nhiệt DSC, TGA
Labsys, Stearam, Pháp; Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hitachi S4800,
Nhật Bản; á đo độ dẫn eithle picometer Đức ; á đo độ bền va
đập Radmana ITR 2000, Úc.
Thiết bị xác định khả năng chống đạn: Súng ngắn K54, súng tiểu
liên AK47 sử d ng đạn lõi thép tương ứng 7,62 x 25 và 7,62 x 39 mm do
Nga sản xuất; thiết bị đo sơ tốc đầu đạn Prochrono Digital Chronograph,
vật liệu đo độ lún theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.06, Hoa Kỳ; Hệ máy tính và
phần mềm mô phỏng số Autodyn Ansys 12.0, Hoa Kỳ.
2.2. hương pháp chế

o

Chế tạo nanocompozit PANi/CNT, graphen/PANi, polypyrol/CNT,
graphen/PPy bằng phương pháp tr ng hợp in-situ trong dung dịch với chất
doping DBSA.
Chế tạo compozit vải sợi c c on epo , compozit vải sợi evl r
epoxy, nanocompozit cacbon/epoxy/graphen-PPy (CEGPY), Kevlar/
epoxy/graphen-PPy (KEGPY), nanocompozit t hợp cacbon/Kevlar/
epoxy/graphen-PPy bằng phương pháp h i gi i đoạn. Gi i đoạn 1 gel hoá
một phần nhựa nền, phân bố nhựa nền vào sợi c c on và ép đu i khí, giai
đoạn 2 ép áp lực cao, nhiệt độ cao để định hình và đ ng rắn hoàn toàn tấm
vật liệu.
2.3. Các phương pháp nghiên cứ
Xác định độ dẫn của vật liệu, Xác định khả năng hấp th s ng điện
từ, Hiển vi điện tử quét (SEM), Ph hồng ngoại FT-IR, Ph Raman, Xác
3

định tính chất cơ học, Phân tích nhiệt, Xác định hàm lượng phần gel, Mô
phỏng khả năng chống đạn của vật liệu, Bắn thử nghiệm thực tế theo tiêu
chuẩn
Chương 3. Kết quả và thảo luận
3.1. Chế t o nanocompozit MWCNT và graphen với PPy, PANi
3.1.1. Khảo sát vật liệu MWCNT và graphen
(c)

(b)

(a)

(d)

Hình 3.1. Ảnh FESEM của mẫu MWCNT mẫu CNT ban đầu (a), mẫu CNT sau khi
rung siêu âm (b) của graphen độ phóng đại 10.000 lần (c), 60.000 lần (d)
D

G
G

D
2D
2D

Hình 3.2. Phổ Raman của graphen và MWCNT

Độ ẫn (S/cm)

35
30
25
20
15
10
5
0

Độ ẫn (S/cm)

3.1.2. Khảo á điều kiện chế t o

PPy
PANi
0

5 10 15 20 25 30
Hàm lượng DBSA (%)

Hình 3.3. Ảnh hưởng của
hàm lượng DBSA đến độ
dẫn của PANi và PPy

35
30
25
20
15

10
5
0

PPy
0

2 4 6 8 10 12
Thời gian phản ứng (giờ)

Hình 3.4 Ảnh hưởng của Hình 3.5. Ảnh hưởng của hàm
thời gian phản ứng đến lượng MWCNT à graphen đến
độ dẫn của AN à
độ dẫn của PANi và PPy

Khảo sát điều kiện tối ưu chế tạo nanocompozit của PANi, PPy với
graphen và MWCNT là hàm lượng DBSA 15% với PANi, 20% với PPy,
4


thời gian phản ứng 8 giờ hàm lượng MWCNT và graphen là 4% với
PANi, 5% với PPy.
3.1.2.4. Khảo sát tính chấ n n c

g

h n ới PPy

(b)

(a)

(c)

Hình 3.6. Phổ FTIR của PPY (a), nanocompozit MWCNT/PPy (b) và graphen/PPy (c)

(a)

(b)

Hình 3.7. Ảnh SEM của nanocompozit MWCNT/PPy (a), graphen/PPy (b)

3.1.3. Khả năng hấp thụ óng điện từ của nanocompozit
Tần ố (GHz)
0
4

5

6

7

8

9

10

11

12

Tổn hao hấp hụ (dB)

-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35

MWCNT/PPy
Graphen/PPy
MWCNT/PANi
Graphen/PANi

Hình 3.8 Tổn ha hấp thụ sóng đ ện từ của các nanocompozit

Kết quả khảo sát cho thấy các mẫu n nocompozit đều cho độ hấp th
tốt trên dải tần số từ 8-12 GHz. Qua so sánh thấy rằng mẫu nanocompozit
graphen/PPy có khả năng hấp th s ng điện từ tốt nhất độ ẫn điện c o
5


nhất o vậy luận án sử d ng nanocompozit graphen/PPy trong các nghiên
cứu tiếp theo với các điều kiện công nghệ chế tạo tối ưu ở hàm lượng
DBSA 20%, thời gian phản ứng là 8 giờ hàm lượng gr phen là % cho độ
dẫn đạt 48 S/cm và khả năng hấp th s ng điện từ cao nhất ở 10 GHz với 32 dB.

3.2. Chế t o nanocompozit vải sợi cacbon/epoxy/graphen/PPy (CEGPY)
3.2.1. Khảo sát nhựa nền epoxy
Ảnh hưởng củ h

lượng chấ đóng ắn DDM

Hình 3.9. Ảnh hưởng của
hàm lượng DDM đến hàm
lượng phần gel của nhựa
epoxy Epikote 815 ở 80oC

Hình 3.10. Ảnh hưởng
của nhiệt độ đến hàm
lượng phần gel của hệ
nhựa Epikote 815/DDM

nh
T nh hất ơ
học của ep x đã đóng
rắn bằng DDM ở hàm
lượng khác nhau

Từ kết quả trình bày tại hình 3.9, 3.10, 3.11 cho thấ điều kiện công
nghệ chế tạo nhựa nền epo là hàm lượng chất đ ng rắn DDM ở 22%
(PKL), nhiệt độ đ ng rắn 150oC chế tạo compozit.
3.2.1.1. Ảnh hưởng củ h
lượng nhự
PPy đến ính chấ cơ học củ CEGPY

nh

2. Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa
epoxy đến tính chất ơ học của CEGPY

xy, h

lượng graphen-

nh
3. Ảnh hưởng của hàm lượng
GPY đến tính chất ơ học của CEGPY

Kết quả trình bày tại hình 3.12, 3.13 cho thấy tính chất cơ học của
CEG Y đạt giá trị tối ưu ở hàm lượng nhự 30% hàm lượng GPY trong
nhựa epoxy là 3% (PKL).
6


3.2.1.2. Ảnh hưởng củ đ ều kiện g
CEGPY

cơng đến tính chấ cơ học của

Kết quả trình bày tại hình 3.14, 3.15, 3.16 cho thấ điều kiện công
nghệ chế tạo n nocompozit CEGPY tối ưu ở hàm lượng nhự epo là
30%
L hàm lượng G Y trong nhựa epo là 3%
L Tăng nhiệt
độ và áp lực ép để định hình và đ ng rắn hoàn toàn tấm vật liệu ở áp lực
ép 150 kg/cm2, thời gian ép 90 phút, nhiệt độ ép 150oC. Kết quả khảo
nghiệm cho thấ tính chất cơ l của vật liệu CEG Y đạt được ở điều kiện

tối ưu là: độ ền kéo đứt 3 3
độ ền uốn 2
độ ền v đập
2
182 kJ/m mô đun kéo đứt là 36 GPa.

Hình 3.14. Ảnh hưởng của
nhiệt độ ép đến tính chất ơ
học của CEGPY

Hình 3.15. Ảnh hưởng
của thời gian p đến tính
chất ơ học của CEGPY

Hình 3.16. Ảnh hưởng
của áp suất ép đến tính
chất ơ học của CEGPY

Tính chất của CEGPY
Kết quả phân tích nhiệt cho thấ N nocompozit CEG Y c nhiệt độ
ph n hủ c o hơn compozit c c on epo

nh

17. Giản đồ phân tích nhiệt khố lượng của compozit ca b n ep x
CEGPY
7

à

(a)

nh

18 Ảnh FESEM ủa

(b)

mp

t a b n ep x

3.3. Chế t o nanocompo i vải ợi K vla / po

Hình 3.19. Ảnh hưởng của hàm lượng
nhựa đến tính chất ơ học vật liệu
KEGPY

/G

a C

(K G

b

)

Hình 3.20. Ảnh hưởng của hàm

lượng
đến tính chất ơ học vật
liệu KEGPY

Kết quả cho thấy, vật liệu EG Y đạt tính chất cơ học tốt nhất ở
hàm lượng nhự epo đạt 30% hàm lượng graphen-PPy trong nhựa
epoxy là 30%.
Công nghệ chế tạo EG Y luận án đ khảo sát và kết uả tương tự
như củ EG Y Điều kiện công nghệ như nh u sẽ tạo điều kiện thuận lợi
cho chế tạo compozit t hợp cả hai loại vải cacbon và vải Kevlar. Tính
chất cơ l tối ưu củ vật liệu n nocompozit EG Y là: độ ền kéo đứt 33
độ ền v đập
k m2 độ ền uốn 2 0
mô đun đàn hồi 2
G độ n ài khi đứt %
3.3.3. Tính chất của KEGPY
3.3.3.1. Phân tích nhiệt
Kết quả cho thấy, n nocompozit
hơn compozit evl r epo
8

EG Y c nhiệt độ ph n hủ c o


nh

1. Giản đồ phân tích nhiệt khố lượng

mp

t e lar ep x

à

nh há học của KEGPY
(a)

nh

(b)

22 Ảnh S M ủa compozit Kevlar/epoxy (a) và KEGPY (b)

3.4.

ủa các vật li u nanocompozit

3.4.1. Ảnh hưởng hàm lượng G

đến khả năng hấp thụ óng điện từ

a. Vật liệu KEGPY
Hàm lượng GPY (%)

Hàm lượng GPY (%)
0

-5

-5

( B)

0

-10

-20
-25
-30
-35

nh

23

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10

-10

-15

Tổn hao phản

Tổn hao hấp hụ (dB)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0

-15
-20
-25
-30

hả n ng hấp thụ sóng đ ện từ ủa
số
9

the hàm lượng GPY ở tần


Kết quả cho thấy, compozit Kevlar/epoxy có khả năng hấp th s ng
điện từ không đáng kể hi gi cường graphen/PPy vào vật liệu này sẽ làm
tăng khả năng hấp th s ng điện từ củ vật liệu EG Y, tối ưu ở giá trị

5%. Điều này phù hợp với kết quả khảo sát tính chất cơ l
b.Vật liệu CEGPY
Hàm lượng G
0

1

2

Hàm lượng G

(%)
3

4

0

5

2

3

4

5

-12

-15

( B)

-17
-19

-17
-22

-21

Tổn hao phản

Tổn hao hấp hụ ( B)

1

(%)

-23
-25
-27
-29

-27
-32
-37

-31

-42

-33

nh

hả n ng hấp thụ sóng đ ện từ ủa C
số

the hàm lượng GPY ở tần

Kết quả cho thấy, với hàm lượng GPY 3% trong CEGPY thì cho khả
năng hấp th sóng điện từ tối ưu ph hợp với kết quả cơ học.
3. .2. Khả năng hấp hụ óng điện ừ của vậ liệ nanocompo i
8 – 12 GHz
Tần số (GHz)

Tần số (GHz)
9

10

11

12

8

-10

-10

-15

-15

Tổn hao phản xạ(dB)

Tổn hao hấp thụ (dB)

8

-20
-25
-30
-35
-40

nh

KEGPY

CEGPY

ên ải

CKEGPY

9

10

11

12

-20
-25
-30
-35
-40

KEGPY

29 S s nh hả n ng hấp thụ sóng đ ện từ ủa

CEGPY

C

CKEGPY

C

Kết quả so sánh khả năng hấp th s ng điện từ của các mẫu
nanocompozit cho thấy C EG Y c t n h o hấp th và t n h o phản ạ
rộng hơn so với h i vật liệu KEGPY và CEGPY.

10

3.5. Khảo sát khả năng chống đ n
3.5.1. Xác định khả năng chống đ n của vải sợi xếp lớp
3. 5.1.1. Mô phỏng số
a. Khả năng chống đạn của vải Kevlar
- Thiết lập thông số mô phỏng củ đầu đạn: đầu đạn 7,62x25 mm sử
d ng cho súng K54 có khối lượng củ đầu đạn là 5,50g và thiết đặt tốc độ
đạn khi va chạm là 420 m/giây. Mơ hình thiết kế mơ phỏng viên đạn được
mơ tả tại hình 3.30.

Đầu đạn thực b. Thiết kế viên đạn c. Nửa mẫu

d. Mẫu đầ đủ

Hình 3.30 Đầu đạn 7,62x25 mm của súng K54

Đầu đạn 7,62x39 mm sử d ng cho súng AK47 có kết cấu gồm 3 lớp:
phần lõi là thép cứng có tác d ng xun, lớp bọc bên ngồi bằng đồng tạo
thành mũi đạn; giữa lõi và vỏ ngoài là một lớp chì mỏng. Khối lượng của
đầu đạn là 7,97g và thiết đặt tốc độ đạn khi va chạm là 715m/giây. Mơ
hình thiết kế mơ phỏng viên đạn được mơ tả tại hình 3.31.

Đầu đạn thực tế b. Thiết kế đầu đạn

c. Nửa mẫu

Hình 3.31 Đầu đạn 7,62x39 mm ủa s ng A

- Nhập dữ liệ

đưa a kết quả mô phỏng

* Xây dựng các thông s vật li u
11

d. Mẫu đầ đủ


Mơ hình vật liệu của vải Kevlar là phương trình trạng thái trực hướng
(orthotropic), mơ hình bền tuyến tính, mơ hình phá hủy ứng suất/biến dạng
m teri l stress str in phương pháp chi lưới Lagrange cho mẫu vật liệu này.

Hình 3.32. Mơ hình mơ phỏng hình họ à h a lưới của
đầu đạn súng K54 và
AK47 va chạm vào tấm chắn vải Kevlar

Tấm vải chống đạn là một tấm vuông 100 100 mm Luận án lự
chọn g c v chạm giữ đầu đạn và tấm chắn là 90o ô hình chi lưới hình
học của vật liệu n đầu của các loại đạn va chạm vào các tấm chắn được
trình bày tại hình 3.32.
Bảng 3.1. Mơ hình và thơng số vật liệu của vải Kevlar 129

Nội dung nhập dữ liệu
hương trình trạng thái
Mơ hình bền
Độ ền kéo đứt k
ơ đun kéo đứt k
Độ dãn dài, %
Khối lượng riêng, g/cm3

Mơ hình phá hủy
hương pháp chi lưới
Nhiệt độ phá huỷ, K
Chu kỳ giới hạn, vòng lặp
Thời gian va chạm tối đ gi
Bước thời gian nhỏ nhất, giây
Bước thời gian lớn nhất, giây
Hệ số an tồn

Số liệu nhập
Trực hướng
Tuyến tính
4,15.105
11,3.107
4,7
1,4
Ứng suất/biến dạng chính
Lagrange
800
106
0,2
10-15
108
0,67

- Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng cho thấ viên đạn xuyên thủng và phá hủy hoàn
toàn 63 lớp vải Kevlar, tấm vải c u hướng bị hỏng một phần kết cấu, tạo
12

ra sự giãn tách lớp giữa các lớp vải và hình thành một hình nón cao ở phía
sau mặt tấm vải Kevlar.

Hình 3.33. Mơ phỏng q trình va chạm
của đầu đạn súng K54 theo thời gian khi
va chạm với tấm vải Kevlar

nh
nh ảnh m phỏng hả n ng
hống đạn s ng A
ủa tấm g p ải
Kevlar xếp lớp

b. Khả năng chống đạn của vải sợi cacbon xếp lớp
- Thông số mơ phỏng tấm giáp vải cacbon
X
ựng mơ hình và chi lưới tấm chống đạn như trong m c
Thông số mô phỏng của tấm giáp vải cacbon xếp lớp, thiết lập điều kiện
chạ như trong ảng 3.2.
Bảng 3.2. Thông số mô phỏng giáp vải cacbon

Nội dung nhập dữ liệu
hương trình trạng thái
Mơ hình bền
Độ ền kéo đứt k
ơ đun kéo đứt k
Độ dãn dài, %
Khối lượng riêng, g/cm3
Mơ hình phá hủy

hương pháp chi lưới
Nhiệt độ phá huỷ, K
Chu kỳ giới hạn, vòng lặp
Thời gian va chạm tối đ gi
Bước thời gian nhỏ nhất, giây
Bước thời gian lớn nhất, giây
Hệ số an tồn

Số liệu nhập
Trực hướng
Đ hướng
4,8x105
22,7x107
0,8
1,83
Ứng suất/biến dạng chính
Lagrange
900
106
0,2
10-15
108
0,67

- Mơ phỏng số va ch m đầ đ n súng K54 và AK với giáp vải cacbon
xếp lớp
Động năng củ đầu đạn về giá trị 0 chứng tỏ n đ ị ừng lại hoàn
toàn Vận tốc củ đầu đạn đạt giá trị -12 m/giây chứng tỏ n đ ị bật trở
lại c o hơn so với vải evl r s u đ ừng hẳn do lực ma sát lỗ ết uả
13

cho thấ tấm vải sợi c c on c khả năng chống đạn
xun thủng là
0 lớp

Hình 3.35. Mơ phỏng q trình va chạm
của đầu đạn súng K54 the thờ g an ớ
vải cacbon xếp lớp

với số lớp ị

nh
M phỏng quá trình va chạm
à đồ thị động n ng a hạm với tấm
giáp vải cacbon xếp lớp

Kết quả cho thấy tấm giáp vải c c on c khả năng chống đạn súng
AK47 với số lớp ị u ên thủng là 1 0 200 lớp vải
3.5.1.2. Khảo sát khả năng chống đạn của vải xếp lớp bằng bắn thử
nghiệm thực tế
(a)

(b)

Hình 3.37. Súng K54 (a), súng AK47 (b) sử dụng trong bắn thử nghiệm thực tế

Mẫu thử nghiệm được chế tạo từ các lớp vải Kevlar, cacbon có kích
thước 25x30 cm. Tiến hành thử nghiệm khả năng chống đạn lõi thép có
kích thước 7,62x25 mm củ súng

và
2 3 mm củ súng
hương pháp thử nghiệm theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.04 của Hoa Kỳ với các
thiết bị đo sơ tốc đạn i đo độ lún tiêu chuẩn ột số thông số mẫu thử,
điều kiện thử và kết quả thu được trình bày trong bảng 3.3, bảng 3.4 với
vải sợi Kevlar; bảng 3.5, bảng 3.6 với vải sợi cacbon.

Hình 3.38. Mẫu giáp vải cacbon và Kevlar xếp lớp
14


Bảng 3.3. Thông số các tấm giáp vải Kevlar xếp lớp à đ ều kiện thử nghiệm

Mẫu
số
1K
2K

Số
lớp
vải
80
200

Kích
hước
(cm)
25x30
25x30

Điều kiện thử nghiệm
Trọng
lượng Lo i Lo i đ n Số lần bắn Cự ly bắn
(g)
súng
(mm)
(lần)
(m)
1140
K54
7,62x25
06
5
2850 AK47 7,62x39
06
15

Bảng 3.4. Kết quả bắn thử nghiệm giáp vải Kevlar

Mẫu số

1K

2K

Điểm
bắn
1
2
3

4
5
6
TB
1
2
3
4
5
6
TB

Sơ ốc đ n
(m/giây)
430
404
408
420
425
416
417,2
700
718
705
721
716
722
713,7

Số lớp xuyên

qua
65
63
67
62
65
63
64,2
200
200
200
200
200
200
200

Độ lún
(mm)
58,2
52,4
54,5
55,7
56,1
53,2
55
Thủng
Thủng
Thủng
Thủng
Thủng

Thủng
Thủng

Hình 3.39. Kết quả bắn thử nghiệm vải Kevlar xếp lớp

Đối với đạn lõi thép kích thước 7,62x25 mm bắn bằng súng K54 với
sơ tốc đầu đạn trung bình là 417,49 m/giây tại mẫu số 1 tấm vải ếp lớp
thủng
2 lớp mẫu không thủng nhưng độ lún cao nhất là 54,7 mm > 44
mm (theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.04) nên vẫn chư đạt tiêu chuẩn Đối với
15


đạn lõi thép kích thước 7,62x39 mm bắn bằng súng
c sơ tốc đầu
đạn trung bình là 714,16 m/giây tại mẫu số 2K thì mẫu bị xuyên thủng
100% và kết cấu tấm vải bị phá hủ hoàn toàn Như vậy, với kết cấu chỉ có
vải Kevlar sẽ khơng đáp ứng được yêu cầu chống đạn với các loại súng có
sơ tốc đầu đạn lớn như súng
súng
Bảng 3.5. Thông số các tấm giáp vải cacbon xếp lớp à đ ều kiện thử nghiệm

Mẫu Số lớp
số
vải
1C
2C

80
200

Kích
hước
(cm)
25x30
25x30

Trọng
lượng
(g)
1254
3135

Điều kiện thử nghiệm
Lo i Lo i đ n Số lần bắn Cự ly bắn
súng
(mm)
(lần)
(m)
K54
7,62x25
06
5
AK47 7,62x39
06
15

Bảng 3.6. Kết quả bắn thử nghiệm tấm giáp vải cacbon xếp lớp

Mẫu số

1C

2C

Điểm
bắn
1
2
3
4
5
6
TB
1
2
3
4
5
6
TB

Sơ ốc đ n
(m/giây)
416
419
410
420
421
415

416,8
709
718
712
719
715
720
715,5

Số lớp xuyên
qua
66
68
65
67
64
65
65,8
173
176
175
183
184
185
179,3

Độ lún
(mm)
51,1
53,3

48,2
50,1
47,6
46,5
49,5
50,5
52,6
56,2
57,3
52,1
55,4
54

Đối với đạn 7,62x25 mm của súng K54 với sơ tốc đầu đạn trung bình
là 416,8 m/giây tại mẫu số 1C tấm vải ếp lớp thủng
lớp mẫu không
thủng nhưng độ lún là 49,5 mm (> 44 mm) nên vẫn chư đạt tiêu chuẩn.
Đối với đạn lõi thép 7,62x39 mm của súng AK47 với sơ tốc đầu đạn trung
bình là 715,5 m/giây tại mẫu số 2C thì số lớp bị xuyên thủng 1 3 và độ
lún là 54 mm (> 44 mm Như vậy, với kết cấu vải cacbon xếp lớp tuy có
khả năng chống đạn súng
nhưng vẫn không đáp ứng được tiêu
16


chuẩn cho phép. ết uả ắn thử nghiệm cho thấ ph hợp với kết uả mô
phỏng số.
3.5.2. Khảo sát khả năng chống đ n của nanocompozit
Thông số mô phỏng của các mẫu n nocompozit được trình bày trong
bảng 3.7

Bảng 3.7. Mơ hình và thơng số vật liệu của nanocompozit

Nội dung nhập dữ liệu

KEGPY

CEGPY

hương trình trạng thái
hương trình trạng thái kép
Khối lượng riêng (g/cm3)
ôđun Young k
Hệ số dãn dài
Nhiệt độ phân hủy
Mơ hình bền
Mơ hình phá hủy
Độ bền kéo đứt (kPa)
Độ bền uốn (kPa)
hương pháp chi lưới
Bước thời gi n nhỏ nhất
Bước thời gi n lớn nhất

Trực hướng
Đ hướng
1,53
2,6.107
0,0712
750K
dẻo đàn hồi
ứng suất/biến dạng

3,39. 105
2,4. 105
lagrange
10-15
106
ức độ phá hủ củ
vật liệu
1000000
0,01 s
1000 chu kì

Trực hướng
Đ hướng
1,65
3,6.107
0,01
750K
Jonson Holmquist
Jonson-cook
3,43.105
2,7. 105
lagrange
10-15
106
ức độ phá hủ củ
vật liệu
1000000
0,01 s
1000 chu kì

Tình trạng hiển thị
ố chu kì tối đ
Thời gi n tối đ
Lưu kết uả

3.5.2.1. Kết quả mô phỏng vớ đạn súng K54
a. Tấm KEGPY

Hình 3.40. Mơ phỏng hả n ng hống
đạn ủa đầu đạn súng K54 theo thờ
g an a hạm ớ KEGPY

Hình 3.41. Mơ phỏng hả n ng hống
đạn ủa đầu đạn súng K54 theo thờ
g an a hạm ớ CEGPY
17


Kết quả mơ phỏng trình v chạm củ đầu đạn súng K54 vào tấm
KEGPY được trình bày tại hình 3.40. Kết quả mô phỏng khả năng chống
đạn súng
củ KEGPY cho thấ vật liệu c khả năng chống đạn súng
với 3 0 lớp vải evl r ị u ên thủng
b. Tấm CEGPY
Kết quả mơ phỏng q trình va chạm đầu đạn súng K54 với tấm
CEGPY cho thấ vật liệu nà c khả năng chống đạn súng
với
lớp
vải ị u ên thủng.
c.

n c

hợ

ả ợ c c

n

l

xy

Hình 3.42 M phỏng hả n ng hống đạn à đồ thị ận tố à n ng lượng ủa đầu
đạn s ng
the thờ g an a hạm ớ CKEGPY

ết uả mô phỏng các tấm CKEGPY với tỉ lệ vải cacbon/kevlar khác
nh u được trình bày tại bảng 3.8. Kết quả khảo sát cho thấ tấm C EG Y
chứ 20 lớp vải c c on 0 lớp vải evl r cho khả năng chống đạn súng
tốt nhất và c số lớp u ên ít nhất
Bảng

STT
1
2
3
4
5

hả n ng hống đạn s ng
ủa nan
cacbon/Kevlar

Số lớp vải cac on/K vla
nanocompozit
0/60
10/50
20/40
30/30
60/0

ong

mp

t the t lệ ả

Số lớp hủng
43
42
39
45
47

3.5.2. 2. Kết quả mô phỏng vớ đạn súng AK47
Kết quả mơ phỏng q trình va chạm đầu đạn súng AK47 với tấm
KEGPY cho thấ viên đạn xuyên thủng và phá hủy 120/140 lớp vải
18

evl r số lớp vải ị phá hủ rất lớn
CEGPY c khả năng chống đạn súng
vải c c on trong thời gi n
10-5 s.

Hình 3.43. Mơ phỏng hả n ng hống
đạn súng AK47 theo thờ g an a hạm
ớ KEGPY

ết uả mô phỏng cho thấ : tấm
đầu đạn xuyên thủng 12 lớp

Hình 3.44. Quá trình va chạm của đầu
đạn súng AK47 theo thời gian a
hạm ớ tấm CKEGPY

ết uả mô phỏng khả năng chống đạn súng AK47 ứng với tỉ lệ số
lớp vải c c on evl r khác nh u trong C EG Y được trình à trong
ảng 3 . Kết quả khảo sát cho thấ tấm C EG Y chứ 30 lớp vải
c c on 110 lớp vải evl r cho khả năng chống đạn súng
tốt nhất và
c số lớp u ên thủng ít nhất
Bảng

STT
1
2
3
4

5
6

hả n ng hống đạn ủa ật l ệu C

Số lớp vải cac on/K vla
nanocompozit
0/140
20/120
30/110
50/90
70/70
140/0

ong

the t lệ số lớp ả

Số lớp hủng

Hình 3.45. Thử nghiệm thực tế khả n ng hống đạn

19

120
118
115
120
125
128

3.5.3. Khảo sát khả năng chống đ n
chuẩn

ng hử nghiệm hực ế h o iê

Tiến hành ắn thử nghiệm thực tế các tấm chống đạn theo tiêu chuẩn
NIJ 01.01.04, Hoa Kỳ tại trường bắn, kết quả được trình bày tại bảng 3.11
và 3.12.
Bảng

Đ ều kiện chế tạo, bắn thử nghiệm tấm chống đạn

Th ng ố ấm chống đ n
Số lớp Lo i
o i vải
vải
súng
K01
Kevlar/epoxy
60
K54
K1
KEGPY
60
K54
C1
CEGPY
60

K54
CKEGPY chứ
CK1 20 lớp c c on 0
60
K54
lớp evl r
K02
Kevlar/epoxy
140 AK47
K2
KEGPY
140 AK47
C2
CEGPY
140 AK47
CKEGPY chứ
CK2 30 lớp c c on
140 AK47
110 lớp evl r

Mẫu
số

Điều kiện thử
Lo i đ n, Số lần Cự ly bắn
mm
bắn
m
7,62x25
06

5
7,62x25
06
5
7,62x25
06
5
7,62x25

06

5

7,62x39
7,62x39
7,62x39

06
06
06

15
15
15

7,62x39

06

15

Bảng 3.11. Kết quả bắn thử nghiệm vớ đạn 7,62x25 mm của súng K54

Mẫu
số

K01

K1

Điểm
bắn
1
2
3
4
5
6
TB
1
2
3
4

Vận tốc đ n,
m/giây
419
416
425
421

419
417
419,5
416
421
418
422

Số lớp
vải xuyên thủng, lớp
47
46
49
51
52
51
49,3
40
42
42
43
20

Độ lún,
mm
35,6
34,4
33,2
34,2
36,3

35,1
34,8
25,2
25,4
25,1
26,3


C1

CK1

5
6
TB
1
2
3
4
5
6
TB
1
2
3
4
5
6
TB

415
420
418,7
417
421
422
416
418
423
419,5
421
417
418
415
419
422
418,7

43
44
42,3
45
46
46
47
48
49
46,8
37
36

38
40
42
43
39,3

26,5
27,1
25,9
22,5
22,8
23,4
23,7
24,1
24,4
23,5
25,2
24,4
24,1
25,3
26,6
27,4
25,5

ết uả ắn thử nghiệm thực tế chống đạn súng
cho thấy: các
mẫu compozit và n nocompozit đều có khả năng chống đạn súng K54 với
đầu đạn lõi thép 7,62x25 mm. Tấm CKEGPY (CK1) có hiệu quả chống
đạn c o hơn 1 % so với tấm compozit Kevlar/epoxy.

Hình 3.46. Kết quả bắn thực tế compozit vải Kevlar/epoxy vớ đạn súng K54

Kết quả bắn thử nghiệm cho thấy mẫu CKEGPY (CK1) bị xun
thủng trung bình 39,3/60 lớp, cịn tấm KEGPY (K1) bị xuyên thủng trung
bình 42,3/60 lớp và tấm CEGPY (C1) bị xuyên thủng trung bình 46,8/60
lớp. Kết quả bắn thử nghiệm thực tế phù hợp với kết quả mô phỏng.
21


Bảng 3.12. Kết quả bắn thử nghiệm vớ đạn 7,62x39 mm của súng AK47

Mẫu số

K02

K2

C2

CK2

Điểm
bắn
1
2
3
4
5
6
TB

1
2
3
4
5
6
TB
1
2
3
4
5
6
TB
1
2
3
4
5
6
TB

Vận tốc đ n,
m/giây
722
714
720
721
716
719

718,7
715
724
721
714
720
723
719,5
723
719
716
724
722
721
720,8
717
714
715
720
718
716
716,7

Số lớp
vải xuyên thủng, lớp
137
136
138
139
Thủng

Thủng
Thủng
117
118
118
120
122
124
119,8
128
127
127
129
130
132
128,8
115
114
115
118
118
119
116,5

Độ lún,
mm
34,5
34,1
35,7
36,8

Thủng
Thủng
Thủng
27,6
27,2
28,4
30,2
31,7
32,9
29,7
21,1
22,7
22,1
24,6
25,5
27,4
23,9
23,6
24,2
24,7
25,2
26,7
27,9
25,4

Kết quả bắn thử nghiệm thực tế với đạn 7,62x39 mm của súng AK
cho thấy: Mẫu compozit Kevlar/epoxy 140 lớp khơng có khả năng chống
đạn, tấm CEG Y EG Y C EG Y đều có khả năng chống đạn. Kết quả
bắn thử nghiệm thực tế các tấm KEGPY, CEGPY, CKEPGY với đạn
7,62x39 mm của súng AK cho thấy phù hợp với kết quả mô phỏng số.

22


Hình 3.47. Kết quả bắn thử nghiệm compozit vải Kevlar/epoxy vớ đạn súng AK47

Tấm CKEGPY c kết cấu chống đạn tối ưu cho khả năng chống đạn
súng K54 và AK47 tốt nhất thích hợp chế tạo các sản phẩm giáp chống
đạn như mũ chống đạn, áo giáp chống đạn, lá chắn chống đạn.
3.5.6. Đánh giá khả năng hấp thụ óng điện từ của CKEGPY
(a)

(b)

Hình 3.48. Tổn hao hấp thụ và phản xạ của mẫu vật liệu CKEGPY CK1

(a)

(b)

Hình 3.49. Tổn hao hấp thụ và phản xạ của mẫu CKEGPY CK2

Kết quả cho thấy mẫu nanocompozit CK1 có khả năng hấp th sóng
điện từ tốt với t n hao hấp th tốt nhất ở 10 G z đạt -36 dB và t n hao
phản xạ tốt nhât ở 11 G z đạt -48,2 dB. Mẫu CK2 có t n hao hấp th tốt
nhất ở 10 G z đạt -37,3 dB và t n hao phản xạ tốt nhât ở 10 0 G z đạt 49,2 dB.
23