ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อเสื้อเกราะกันกระสุน

ปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการกันกระสุนของชุดเกราะสามารถพิจารณาได้จากสองด้าน: โพรเจกไทล์ที่โต้ตอบกัน (กระสุนหรือเศษกระสุน) และวัสดุกันกระสุน เท่าที่เกี่ยวข้องกับโพรเจกไทล์ พลังงานจลน์ รูปร่าง และวัสดุเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดการเจาะ

กระสุนธรรมดา โดยเฉพาะกระสุนที่มีแกนตะกั่วหรือแกนเหล็กธรรมดา จะเสียรูปเมื่อสัมผัสกับวัสดุกันกระสุน ในกระบวนการนี้ พลังงานจลน์ของกระสุนถูกใช้ไปเป็นจำนวนมาก ซึ่งจะช่วยลดแรงการเจาะของกระสุนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของกลไกการดูดกลืนพลังงานของกระสุน สำหรับระเบิด ระเบิดมือ และเศษกระสุนอื่นๆ หรือชิ้นส่วนรองที่เกิดจากกระสุน สถานการณ์จะแตกต่างกันอย่างมาก เศษกระสุนเหล่านี้มีรูปร่างผิดปกติ ขอบคม น้ำหนักเบาและมีขนาดเล็ก และจะไม่ทำให้เสียรูปหลังจากกระแทกกับวัสดุกันกระสุน โดยเฉพาะวัสดุกันกระสุนที่อ่อนนุ่ม โดยทั่วไปความเร็วของเศษซากประเภทนี้ไม่สูง แต่มีปริมาณมากและหนาแน่น

กุญแจสำคัญในการดูดซับพลังงานของชิ้นส่วนดังกล่าวโดยเกราะที่อ่อนนุ่มนั้นอยู่ที่ความจริงที่ว่าชิ้นส่วนถูกตัด ยืดและแตกเส้นด้ายของผ้าขีปนาวุธ และทำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างเส้นด้ายในเนื้อผ้ากับชั้นต่างๆ ของผ้า ส่งผลให้เกิดการเสียรูปโดยรวมของผ้า ในกระบวนการดังกล่าว ชิ้นส่วนทำงานออกไปภายนอก จึงใช้พลังงานของตัวเอง ในกระบวนการดูดซับพลังงานของร่างกายสองประเภทข้างต้น พลังงานส่วนเล็ก ๆ จะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนผ่านการเสียดสี (ไฟเบอร์/ไฟเบอร์ ไฟเบอร์/กระสุน) และแปลงเป็นพลังงานเสียงผ่านการกระแทก ในแง่ของวัสดุกันกระสุน เพื่อตอบสนองความต้องการของชุดเกราะในการดูดซับพลังงานจลน์ของกระสุนและโพรเจกไทล์อื่น ๆ ให้มากที่สุด วัสดุกันกระสุนต้องมีความแข็งแรงสูง เหนียวดี และมีความสามารถในการดูดซับพลังงานที่แข็งแกร่ง วัสดุที่ใช้ในชุดเกราะ โดยเฉพาะชุดเกราะอ่อน ส่วนใหญ่เป็นเส้นใยประสิทธิภาพสูง เส้นใยประสิทธิภาพสูงเหล่านี้มีความแข็งแรงสูงและมีโมดูลัสสูง แม้ว่าเส้นใยประสิทธิภาพสูงบางชนิด เช่น คาร์บอนไฟเบอร์หรือเส้นใยโบรอนจะมีความแข็งแรงสูง แต่โดยพื้นฐานแล้วไม่เหมาะกับชุดเกราะเนื่องจากมีความยืดหยุ่นต่ำ กำลังแตกหักต่ำ ปั่นและแปรรูปได้ยาก และราคาสูง

โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผ้า ballistic ผลกระทบของกระสุนส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับด้านต่อไปนี้: ความต้านทานแรงดึงของเส้นใย, การยืดตัวของเส้นใยที่จุดขาดและการทำงานที่จุดขาด โมดูลัสของเส้นใย การวางแนวของเส้นใยและความเร็วในการส่งคลื่นความเค้น เส้นใย ความละเอียดของเส้นใย วิธีการ ประกอบเส้นใย น้ำหนักเส้นใยต่อหน่วยพื้นที่ โครงสร้างและลักษณะพื้นผิวของเส้นด้าย โครงสร้างของผ้า ความหนาของชั้นตาข่ายไฟเบอร์ จำนวนชั้นของชั้นตาข่ายหรือชั้นผ้า เป็นต้น ประสิทธิภาพของวัสดุเส้นใยที่ใช้สำหรับการทนต่อแรงกระแทกขึ้นอยู่กับพลังงานทำลายของเส้นใยและความเร็วในการส่งคลื่นความเค้น คลื่นความเค้นจะต้องแพร่กระจายโดยเร็วที่สุด และพลังงานการแตกหักของเส้นใยภายใต้แรงกระแทกความเร็วสูงควรสูงที่สุด งานแรงดึงแตกร้าวของวัสดุเป็นพลังงานที่วัสดุต้องต้านทานความเสียหายจากแรงภายนอก และเป็นฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานแรงดึงและการเสียรูปของการยืดตัว ดังนั้น ตามทฤษฎีแล้ว ยิ่งมีความต้านทานแรงดึงสูงเท่าใด ความสามารถในการเปลี่ยนรูปการยืดตัวของวัสดุก็จะยิ่งแข็งแกร่ง ศักยภาพในการดูดซับพลังงานก็จะยิ่งมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ วัสดุที่ใช้ทำชุดเกราะไม่อนุญาตให้มีการเสียรูปมากเกินไป ดังนั้นเส้นใยที่ใช้สำหรับชุดเกราะต้องมีความต้านทานสูงต่อการเสียรูป นั่นคือโมดูลัสสูง อิทธิพลของโครงสร้างของเส้นด้ายที่มีต่อความต้านทานขีปนาวุธเกิดจากความแตกต่างในอัตราการใช้กำลังของเส้นใยเดี่ยวและความสามารถในการเปลี่ยนรูปการยืดตัวโดยรวมของเส้นด้ายเนื่องจากเนื้อผ้าที่แตกต่างกัน กระบวนการแตกหักของเส้นด้ายในขั้นแรกขึ้นอยู่กับกระบวนการแตกหักของเส้นใย แต่เนื่องจากเป็นการรวมกลุ่ม จึงมีความแตกต่างอย่างมากในกลไกการแตกหัก หากความละเอียดของเส้นใยดี การพันกันของเส้นด้ายจะแน่นขึ้น และแรงก็จะสม่ำเสมอมากขึ้น จึงเป็นการเพิ่มความแข็งแรงของเส้นด้าย นอกจากนี้ ความตรงและความขนานของการจัดเรียงเส้นใยในเส้นด้าย จำนวนการถ่ายโอนของชั้นในและชั้นนอก และการบิดของเส้นด้ายมีอิทธิพลสำคัญต่อคุณสมบัติเชิงกลของเส้นด้าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งความต้านทานแรงดึงและการยืดตัว ตอนพัก นอกจากนี้ เนื่องจากการทำงานร่วมกันระหว่างเส้นด้ายกับเส้นด้าย และเส้นด้ายและตัวยางยืดในระหว่างกระบวนการทิ้งระเบิด ลักษณะพื้นผิวของเส้นด้ายจะมีผลต่อการเสริมความแข็งแรงหรืออ่อนตัวของผลกระทบทั้งสองข้างต้น การปรากฏตัวของน้ำมันและความชื้นบนพื้นผิวของเส้นด้ายจะลดความต้านทานของกระสุนหรือเศษกระสุนเพื่อเจาะวัสดุ ดังนั้นผู้คนมักจะต้องทำความสะอาดและทำให้วัสดุแห้ง และหาวิธีปรับปรุงความต้านทานการซึมผ่าน เส้นใยสังเคราะห์ที่มีความต้านทานแรงดึงสูงและโมดูลัสสูงมักจะมีการวางแนวสูง ดังนั้นพื้นผิวของเส้นใยจึงเรียบและค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ เมื่อใช้เส้นใยเหล่านี้ในผ้ากันกระสุน ความสามารถในการถ่ายเทพลังงานระหว่างเส้นใยนั้นไม่ดีหลังจากการทิ้งระเบิด และคลื่นความเค้นจะไม่สามารถแพร่กระจายได้อย่างรวดเร็ว จึงเป็นการลดความสามารถของผ้าในการกันกระสุน วิธีการทั่วไปในการเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีพื้นผิว เช่น การเพิ่มและการตกแต่งโคโรนา จะลดความแข็งแรงของเส้นใย ในขณะที่วิธีการเคลือบผ้าจะทำให้"การเชื่อม" ระหว่างเส้นใยและเส้นใยทำให้เกิดคลื่นกระแทกในเส้นด้าย เกิดการสะท้อนแสงด้านข้างทำให้เส้นใยแตกก่อนเวลาอันควร เพื่อแก้ปัญหาความขัดแย้งนี้ ผู้คนได้คิดค้นวิธีการต่างๆ AlliedSignal (AlliedSignal) ได้เปิดตัวเส้นใยบำบัดด้วยลมออกสู่ตลาด ซึ่งเพิ่มการติดต่อระหว่างกระสุนและเส้นใยโดยการพันกันของเส้นใยภายในเส้นด้าย

ในสิทธิบัตรสหรัฐอเมริกาหมายเลข 5,035,111 วิธีการปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีของเส้นด้ายโดยใช้เส้นใยที่มีโครงสร้างแบบปลอกหุ้ม"แกน" ของเส้นใยนี้เป็นเส้นใยที่มีความแข็งแรงสูง และ"skin" ใช้เส้นใยที่มีความแข็งแรงต่ำกว่าเล็กน้อยและมีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสูงกว่า บัญชีหลังสำหรับ 5% ถึง 25% วิธีการที่คิดค้นโดยสิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกาอีกฉบับ 5255241 มีความคล้ายคลึงกัน มันเคลือบพื้นผิวของเส้นใยความแข็งแรงสูงด้วยชั้นบาง ๆ ของพอลิเมอร์แรงเสียดทานสูงเพื่อปรับปรุงความสามารถของผ้า' ในการต้านทานการเจาะโลหะ การประดิษฐ์นี้เน้นว่าพอลิเมอร์เคลือบควรมีการยึดเกาะที่แข็งแรงกับพื้นผิวของเส้นใยที่มีความแข็งแรงสูง มิฉะนั้น วัสดุเคลือบที่ลอกออกเมื่อถูกทิ้งระเบิดจะทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นที่เป็นของแข็งระหว่างเส้นใย ซึ่งจะทำให้พื้นผิวของเส้นใยลดลง ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน นอกจากคุณสมบัติของเส้นใยและลักษณะเส้นด้ายแล้ว ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความสามารถในการกันกระสุนของชุดเกราะคือโครงสร้างของผ้า ประเภทโครงสร้างผ้าที่ใช้กับชุดเกราะของซอฟต์แวร์ ได้แก่ ผ้าถัก ผ้าทอ ผ้าไม่ทอ ผ้าสักหลาดไม่ทอที่เจาะรูด้วยเข็ม เป็นต้น ผ้าถักมีการยืดตัวสูงขึ้น ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อความสบายในการสวมใส่ แต่การยืดตัวสูงที่ใช้สำหรับทนต่อแรงกระแทกจะสร้างความเสียหายที่ไม่เจาะทะลุได้มาก นอกจากนี้ เนื่องจากผ้าถักมีลักษณะแอนไอโซทรอปิก จึงมีระดับความทนทานต่อแรงกระแทกต่างกันไปในทิศทางที่ต่างกัน ดังนั้น แม้ว่าผ้าถักจะมีข้อดีในแง่ของต้นทุนการผลิตและประสิทธิภาพการผลิต แต่โดยทั่วไปแล้วมักเหมาะสำหรับการผลิตถุงมือกันแทง ชุดฟันดาบ ฯลฯ เท่านั้น และไม่สามารถใช้กับชุดเกราะได้ทั้งหมด ชุดเกราะที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้น ได้แก่ ผ้าทอ ผ้าไม่ทอ และผ้าสักหลาดที่เจาะรูด้วยเข็ม เนื่องจากโครงสร้างที่แตกต่างกัน ผ้าทั้งสามประเภทนี้จึงมีกลไกกันกระสุนที่แตกต่างกัน และขีปนาวุธยังไม่สามารถให้คำอธิบายที่เพียงพอได้ โดยทั่วไป หลังจากที่กระสุนกระทบเนื้อผ้า มันจะสร้างคลื่นสั่นสะเทือนในแนวรัศมีในบริเวณจุดกระทบ และแพร่กระจายผ่านเส้นด้ายที่ความเร็วสูง

เมื่อคลื่นสั่นสะเทือนไปถึงจุดประสานของเส้นด้าย ส่วนหนึ่งของคลื่นจะถูกส่งไปตามเส้นด้ายเดิมไปยังอีกด้านหนึ่งของจุดผสาน อีกส่วนหนึ่งจะถูกถ่ายโอนไปยังด้านในของเส้นด้ายแบบอินเทอร์เลซ และบางส่วนจะถูกสะท้อน ตามเส้นไหมเดิม ย้อนกลับไปและสร้างคลื่นสะท้อนกลับ ในบรรดาผ้าสามประเภทข้างต้น ผ้าทอมีจุดที่ผสมผสานกันมากที่สุด หลังจากถูกกระสุนกระทบ พลังงานจลน์ของกระสุนสามารถส่งผ่านปฏิสัมพันธ์ของเส้นด้ายที่จุดประสาน เพื่อให้สามารถดูดซับแรงกระแทกของกระสุนหรือเศษกระสุนในพื้นที่ขนาดใหญ่ . แต่ในขณะเดียวกัน จุดผสมผสานก็มีบทบาทเป็นจุดสิ้นสุดที่ตายตัวอย่างล่องหน คลื่นสะท้อนที่เกิดที่ปลายคงที่และคลื่นตกกระทบเดิมจะถูกซ้อนทับในทิศทางเดียวกัน ซึ่งช่วยเพิ่มเอฟเฟกต์การยืดตัวของเส้นด้ายอย่างมาก และแตกออกหลังจากมีแรงแตกหักเกิน นอกจากนี้ เศษเล็กเศษน้อยบางชิ้นอาจผลักเส้นด้ายเส้นเดียวในผ้าทอออกไป ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานการเจาะของเศษกระสุน ภายในช่วงหนึ่ง หากความหนาแน่นของผ้าเพิ่มขึ้น ความเป็นไปได้ของสถานการณ์ข้างต้นจะลดลง และสามารถปรับปรุงความแข็งแรงของผ้าทอได้ แต่ผลด้านลบของการสะท้อนและการซ้อนทับของคลื่นความเครียดจะเป็น ปรับปรุง ในทางทฤษฎี เพื่อให้ได้ความต้านทานแรงกระแทกที่ดีที่สุดคือการใช้วัสดุแบบทิศทางเดียวโดยไม่มีจุดเชื่อมต่อ นี่เป็นจุดเริ่มต้นของ"Shield" เทคโนโลยี."โล่" เทคโนโลยีหรือ"อาร์เรย์ทิศทางเดียว" เทคโนโลยี คือวิธีการผลิตวัสดุคอมโพสิตกันกระสุนไม่ทอที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งเปิดตัวและจดสิทธิบัตรโดย United Signal Corporation ในปี 1988 นอกจากนี้ บริษัท DSM สัญชาติเนเธอร์แลนด์ยังมอบสิทธิ์ในการใช้เทคโนโลยีที่ได้รับสิทธิบัตรนี้อีกด้วย ผ้าที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีนี้เป็นผ้าทอ ผ้าไม่ทอทำขึ้นโดยการจัดเรียงเส้นใยขนานกันในทิศทางเดียวและยึดเข้าด้วยกันด้วยเทอร์โมพลาสติกเรซิน ในเวลาเดียวกัน เส้นใยจะถูกข้ามระหว่างชั้นและกดด้วยเทอร์โมพลาสติกเรซิน

พลังงานส่วนใหญ่ของกระสุนหรือเศษกระสุนปืนถูกดูดซับโดยการยืดและทำลายเส้นใยที่หรือใกล้กับจุดกระทบ"โล่" ผ้าสามารถรักษาความแข็งแรงดั้งเดิมของเส้นใยได้ในระดับสูงสุด และกระจายพลังงานไปยังพื้นที่ขนาดใหญ่อย่างรวดเร็ว และขั้นตอนการประมวลผลค่อนข้างง่าย ผ้าไม่ทอชั้นเดียวสามารถใช้เป็นโครงสร้างกระดูกสันหลังของเกราะที่อ่อนนุ่มหลังจากถูกเคลือบ และหลายชั้นสามารถใช้เป็นวัสดุกันกระสุนแบบแข็ง เช่น เม็ดมีดเสริมแรงกันกระสุน หากในผ้าสองประเภทข้างต้นพลังงานโพรเจกไทล์ส่วนใหญ่ถูกดูดซับโดยเส้นใยที่จุดกระทบหรือใกล้จุดกระทบผ่านการยืดหรือเจาะมากเกินไปเพื่อทำลายเส้นใยจากนั้นสักหลาดที่เจาะด้วยเข็มไม่ทอเป็นกลไกกันกระสุนของ ผ้าที่มีโครงสร้างไม่สามารถอธิบายได้

เนื่องจากการทดลองแสดงให้เห็นว่าการแตกหักของเส้นใยแทบจะไม่เกิดขึ้นในสักหลาดที่เจาะรูด้วยเข็ม สักหลาดนอนวูฟเวนแบบเจาะด้วยเข็มประกอบด้วยเส้นใยสั้นจำนวนมาก ไม่มีจุดผสาน และแทบไม่มีการสะท้อนจุดคงที่ของคลื่นความเครียด เอฟเฟกต์กันกระสุนขึ้นอยู่กับความเร็วการแพร่กระจายของพลังงานกระทบกระสุนในความรู้สึก สังเกตได้ว่าหลังจากโดนกระสุนปืน มีม้วนวัสดุเส้นใยที่ปลาย Fragment Simulating Projectile (FSP) ดังนั้นจึงคาดการณ์ว่ากระสุนหรือเศษกระสุนจะกลายเป็นทื่อในระยะเริ่มต้นของการกระแทก ทำให้ยากต่อการเจาะเนื้อผ้า งานวิจัยหลายชิ้นชี้ให้เห็นว่าโมดูลัสของเส้นใยและความหนาแน่นของผ้าสักหลาดเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อเอฟเฟกต์ขีปนาวุธของเนื้อผ้าทั้งหมด ส่วนใหญ่จะใช้สักหลาดไม่ทอเข็มเจาะในเสื้อเกราะกันกระสุนทหารส่วนใหญ่ทำจากแผ่นกันกระสุน