| عنوان فارسی مقاله: | طراحی بهینه مواد زره بدن با استفاده از سیال ضخیم کننده تنش |
| عنوان انگلیسی مقاله: | Optimal designing of soft body armour materials using shear thickening fluid |
| دانلود مقاله انگلیسی: | برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf اینجا کلیک نمائید |
| سال انتشار | 2013 |
| تعداد صفحات مقاله انگلیسی | 8 صفحه |
| تعداد صفحات ترجمه مقاله | 20 صفحه |
| مجله | مواد و طراحی |
| دانشگاه | هند |
| کلمات کلیدی | – |
| نشریه الزویر | Elsevier |
فهرست مطالب:
چکیده
۱ مقدمه
۲ مواد و روش‌ها
۲ ۱ مواد
۲ ۲ آماده کردن پارچه‌های STF Kevlar
۲ ۳ مشخص کردن ویژگی‌ها
۲ ۴ آزمایش مقاومت ضربه دینامیکی
۳ نتایج و بحث‌ها
۳ ۱ مدل‌ها برای جذب انرژی ضربه و درصد اضافه شده از STF بر روی پارچه‌های Kevlar
۳ ۲ آنالیز شکل های کانتور
۴ نتایج
بخشی از ترجمه:
مقدمه
پارچه‌های Kevlar woven (نوعی پارچه) اغلب برای کاربردهای ضد گلوله ی نازک مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ضدگلوله های نازک، تقریباً ۲۰ تا ۵۰ لایه از پارچه Kevlar مورد استفاده قرار می‌گیرد تا جلوی تیر شلیک شده از یک تفنگ ساچمه ای و یا یک کلت را بگیرد. این باعث می‌شود که ضدگلوله سنگین، انعطاف‌ناپذیر و غیر راحت برای کسی که می‌خواهد از آن استفاده کند، شود. این یک چالش برای محققین و دانشمندان می‌باشد که پارچه‌هایی را برای ضد گلوله‌های نازک طراحی کنند تا وزن کم، انعطاف‌پذیر و مقاوم در برابر گلوله باشد. استفاده از سیال ضخیم کننده تنش (STF) تأثیر عملکرد مقاومت پارچه Kevlar را افزایش می‌دهد [۱,۲]، STF ها سیالات غیر نیوتونی می‌باشند که از یک نرخ تنش بحرانی به بعد افزایش شدیدی در ویسکوزیته از خود نشان می‌دهند [۳-۷]. بنابراین، پخش شدن مایع بر روی یک پارچه به ویژگی‌هایی شبیه به یک ماده جامد تغییرشکل می‌دهد و در نتیجه تاثیر جذب نیرو را آسان‌تر می‌کند. ضخیم کننده تنش به وسیله ذراتی در اندازه نانو از مواد مشخصی (سیلیکا، کلسیم کربنات، پلی متیل متاکریلات و …) نشان داده شده است آن هم در زمانی که آن‌ها در یک سیال کریر (career) پخش شده‌اند. رفتار ضخیم کننده تنش برگشت پذیر می‌باشد، و در نتیجه ضدگلوله را به اندازه کافی انعطاف‌پذیر برای حرکت معمولی سرباز می‌کند.
در دهه گذشته، کارهای تحقیقاتی زیادی بر روی کاربرد STF در پارچه‌های Kevlar برای بهبود عملکردهای مقاومت در برابر ضربه، سوراخ شدن انجام شده است، lee و همکارانش [۱,۸]، Kang و همکارانش [۹]، و Srivastava و همکارانش [۱۰] از STF بر پایه ذرات نانو سیلیکا استفاده کرده‌اند تا عملکرد مقاومت در برابر ضربه برای پارچه‌های Kevlar woven را بهبود ببخشند در حالی که Egres و همکارانش [۱۱] از آن برای افزایش مقاومت در برابر سوراخ شدن در مقابل سوزن‌های تزریقی استفاده کرده‌اند، Decker و همکارانش [۱۲] بهبود مهمی در عملکرد مقاومت در برابر سوراخ شدن در حین آزمایش برج سقوط چاقو گزارش داده‌اند. آن‌ها فهمیدند که مقدار پارچه‌ای که آسیب دیده است در زمانی که از STF محافظت شده با پارچه‌های Kevlar استفاده شده است، کمتر بوده است، Tan و همکارانش [۱۳] گزارش کردند که عملکرد بالستیک پارچه‌های aramid با اشباع کردن آن با یک سوسپانسیون آبی سیلیکا کلوئیدی (SWS) از غلظت‌های مختلف ذرات می‌تواند بهبود یابد، Wetzel و همکارانش [۱۴] بر روی تأثیر شکل غیر یکسان ذرات بر روی عملکرد STF محافظت شده با پارچه‌های Kevlar تحقیق کردند. آن‌ها گزارش دادند که هرچه نسبت وجه¬ها (aspect ratio) برای ذرات افزایش می‌یابد، نیاز برای کسر حجمی جامد برای رسیدن به یک تنش برشی بحرانی کاهش می‌یابد، Kalman و همکارانش [۱۵]، STF های ساخته شده با ذرات سیلیکا سخت و PMMA نرم¬ (پلی متیل متاکریلات) برای بهبود عملکرد مقاومت در برابر ضربه برای پارچه‌های Kevlar را با هم مقایسه کردند. آن‌ها فهمیدند که STF بر پایه PMMA ضخیم کننده، تنش مؤثر کمتری از خود نشان می‌دهد در زمانی که با STF بر پایه ذرات سیلیکا سخت مقایسه شود. بنابراین، پارچه‌های محافظت شده با STF بر پایه سیلیکا، مقاومت بالستیک بهتری نسبت به پارچه‌های محافظت شده با STF بر پایه PMMA از خود نشان داده‌اند، Rosen و همکارانش [۱۶] از خاک رس کالین (Kaolin) (ساختاری مسطح شکل) پخش شده در اتیلن الکل به‌عنوان STF استفاده کردند که مقاومت در برابر میخ، سوراخ شدن و سوزن را بهبود می‌بخشد. در تحقیقات اخیر، Hassan و همکارانش [۱۷,۱۸] و Maufez و همکارانش [۱۹] یک روش شیمیایی سونو را برای سنتز STF در یک مرحله توسعه داده‌اند. آن‌ها فهمیدند که مقاومت در برابر میخ پارچه‌های Kevlar از ۸۵N به ۵۷۳N افزایش یافته است آن هم زمانی که از حفاظ STF استفاده شده است، Park و همکارانش [۲۰,۲۱] تأثیر ورقه ورقه کردن رشته ها، تعداد پارچه‌ها و محل شلیک را بر روی عملکرد ضربه پارچه‌های Kevlar محافظت شده با STF گزارش دادند.
4. نتایج:
بهینه‌سازی 3 تا پارامتر فرایند (غلظت سیلیکا، فشار گیره ها و نسبت حلال) برای کاربرد STF بر روی پارچه‌های Kevlar در این تحقیق با استفاده از طراحی آزمایشگاهی Box & Behnken انجام شده است. 15 تا نمونه پارچه Kevlar آماده شده است همچنان که در طراحی آزمایش Box & Behnken در نظر گرفته شده بود که این نمونه‌ها با تغییر غلظت سیلیکا ، فشار گیره ها و نسبت حلال ایجاد شده‌اند. معادلات پاسخ سطح به دست آمده‌اند تا درصد اضافه شدن STF و میزان جذب انرژی ضربه با استفاده از این 3 تا پارامتر فرایند شرح داده شوند. غلظت سیلیکا، نسبت حلال و مجذور نسبت حلال از لحاظ آماری ترم های چشمگیری بودند که بر روی درصد اضافه شدن STF بر روی پارچه‌های Kevlar تأثیر می‌گذاشتند. از طرف دیگر، غلظت سیلیکا، فشار گیره ها و مجذور نسبت حلال از لحاظ آماری ترم های چشمگیر بودند که میزان جذب انرژی ضربه را تحت تأثیر قرار می‌دادند. بنابراین، دو تا ترم مرسوم و رایج (غلظت STF و مجذور نسبت حلال) وجود دارد که درصد اضافه شدن و میزان جذب انرژی ضربه را به یک شکل یکسان تحت تأثیر قرار می‌دهند. شکل‌های کانتور ایجاد شده نقش هم‌زمان 2 تا پارامتر فرایند یز روی درصد STF و میزان جذب انرژی ضربه نشان می‌دهد. شکل‌های کانتور نشان می‌دهد که فشار بالاتر گیره ها تقریباً نقش ناچیزی در تأثیرگذاری بر روی درصد اضافه شدن STF دارد. در هر حال، فشار بالاتر گیره ها برای حداکثر رساندن میزان جذب انرژی لازم و ضروری می‌باشد. به‌طورکلی، فهمیده شد که غلظت بالاتر سیلیکا، فشار بالاتر گیره ها و نسبت پایین‌تر حلال، میزان جذب انرژی ضربه بر روی پارچه‌های STF Kevlar را آسان‌تر می‌کند.
بخشی از مقاله انگلیسی:
Introduction
Kevlar woven fabrics are often used for soft body armour applications.In soft body armours, approximately 20–50 layers of Kevlarfabric are used to stop a bullet fired by a shotgun or revolver.This makes the body armour heavy, inflexible and uncomfortableto the wearer. It is a challenge for the researchers and scientiststo develop materials for soft body armour so that it remainslight-weight, flexible and bullet-resistant. Application of shearthickening fluid (STF) enhances the impact resistance performanceof the Kevlar fabric [1,2]. Shear thickening fluids are non-Newtonianfluids which show drastic increase in viscosity beyond a criticalshear rate [3–7]. Thus, the liquid dispersion is transformed intoa material with solid-like properties and thereby facilitating theimpact energy absorption. Shear thickening is exhibited by thenano sized particles of certain materials (silica, calcium carbonate,poly methyl methacrylate, etc.) when they are dispersed in a careerfluid. Shear thickening behavior is reversible, making the body armourflexible enough for normal mobility of the soldier.
In the last decade, significant amount of research works havebeen done on the application of STF on Kevlar fabrics for improvingthe impact, puncture or stab resistance performances. Lee et al.[1,8], Kang et al. [9] and Srivastava et al. [10] have used silicanano-particles based STF to improve the impact resistance performanceof Kevlar woven fabrics whereas Egres et al. [11] used it forenhancing the puncture resistance against hypodermic needles.Decker et al. [12] reported significant improvement in stab resistanceperformance during knife drop tower test. They found that the extent of fabric damage was less in case of STF treated Kevlarfabrics. Tan et al. [13] reported that the ballistic performance ofaramid fabrics can be improved by impregnating it with a colloidalsilica water suspension (SWS) of different particle concentrations.Wetzel et al. [14] also researched on the influence of particle shapeanisotropy on the performance of STF treated Kevlar fabrics. Theyreported that as the aspect ratio of the particles increases, requirementof the solid volume fraction to reach the critical shear ratedecreases. Kalman et al. [15] compared the STFs made with hardsilica and softer PMMA (poly methyl methacrylate) particles forimproving the impact resistance performance of Kevlar fabrics.They found that the STF based on PMMA exhibited less effectiveshear thickening as compared to STF based on hard silica particles.Thus silica based STF treated fabrics showed better ballistic resistancethan that of PMMA based STF treated fabrics. Rosen et al.[16] used Kaolin clay (platelet like structure) dispersed in ethyleneglycol as STF which improved the spike, stab and needle resistances.In recent researches, Hassan et al. [17,18] and Maufezet al. [19] have developed a sonochemical method for the synthesisof STF in a single step. They found that the spike resistance of Kevlarfabrics increased from 85 N to 573 N after the treatment withthe STF. Park et al. [20,21] reported the effect of laminating sequence,fabric count and shot location on the impact performanceof STF treated Kevlar fabrics.
4. Conclusions
Optimization of three process parameters (silica concentration, padding pressure and solvent ratio) for STF application on Kevlar fabrics has been attempted in this research by using Box and Behnken experimental design plan. Fifteen Kevlar fabric samples were prepared as per the Box and Behnken design plan by varying the silica concentration, padding pressure and solvent ratio. The response surface equations were developed to relate the STF add-on% and impact energy absorption with the three process parameters. Silica concentration, solvent ratio and the square of solvent ratio were found to be statistically significant terms influencing the STF add-on% on Kevlar fabrics. On the other hand, silica concentration, padding pressure and the square of solvent ratio are the statistically significant terms influencing the impact energy absorption. Thus, there are two common terms (STF concentration and square of solvent ratio) which influence the add-on% and impact energy absorption in a similar manner. Contour plots were generated to explain the simultaneous role of two process parameters on STF add-on% and impact energy absorption. Contour plots revealed that higher padding pressure has rather insignificant role in influencing STF add-on%. However, higher padding pressure is essential for maximizing the impact energy absorption. Overall, it was found that higher silica concentration, higher padding pressure and lower solvent ratio facilitate higher impact energy absorption by the STF treated Kevlar fabrics.
| عنوان فارسی مقاله: | طراحی بهینه مواد زره بدن با استفاده از سیال ضخیم کننده تنش |
| عنوان انگلیسی مقاله: | Optimal designing of soft body armour materials using shear thickening fluid |
خرید ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد