La fibra aramidica presenta le caratteristiche di elevata resistenza specifica ed elevato allungamento a rottura e può sostituire completamente i materiali compositi in fibra di vetro/resina in molti campi.
Attualmente, i paesi di tutto il mondo stanno costantemente sviluppando e ottimizzando diversi nuovi materiali balistici per migliorare le prestazioni di protezione balistica di veicoli e singoli soldati. I materiali compositi in fibra ad alte prestazioni presentano le caratteristiche di leggerezza, elevata resistenza ed eccellente resistenza balistica. Sono i materiali balistici più studiati, in più rapida crescita e più promettenti. I paesi con un elevato sviluppo militare, rappresentati dagli Stati Uniti, prestano particolare attenzione allo sviluppo di fibre antibalistiche ad alte prestazioni e dei relativi materiali compositi. Negli ultimi anni, istituti di ricerca scientifica per la difesa nazionale come l'US Army Research Laboratory e università finanziate dal Ministero della Difesa hanno svolto numerose ricerche. Questo articolo presenta principalmente la ricerca e lo sviluppo, lo stato di applicazione e il livello di prestazioni della fibra aramidica, della fibra di carbonio e della fibra PBO all'estero.
1. Fibra aramidica
Le fibre aramidiche presentano un'elevata resistenza specifica e un elevato allungamento a rottura. A parità di densità superficiale, la resistenza balistica dei compositi aramidici/resina è da 2 a 3 volte superiore a quella dei compositi in fibra di vetro/resina. Possono essere utilizzate in numerosi campi. Sostituzione completa dei compositi in fibra di vetro/resina.
Istituzioni come il Joint Army Research Laboratory della Clemson University negli Stati Uniti utilizzano il tradizionale metodo degli elementi finiti per condurre analisi numeriche del feltro in fibra antibalistica al fine di determinare la resistenza alla penetrazione del materiale e la risposta complessiva in termini di flessione, deformazione e danno all'impatto. I ricercatori del team hanno ulteriormente ottimizzato e aggiornato il modello di calcolo e analisi della protezione da impatto/esplosione balistica dei compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre a tessuto piano. Nel 2014, è stata studiata la relazione tra microstruttura e prestazioni dei materiali a base di PPTA (poli-p-fenilentereftalammide) ed è stato sviluppato un metodo di calcolo a scala multi-lunghezza per determinare l'impatto di varie caratteristiche microstrutturali su diverse scale sul feltro a base di PPTA. Effetto di compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre di tessuto o PPTA sulla resistenza macroscopica alla penetrazione balistica.
Cassino, in Italia, e l'Università del Lazio Meridionale hanno combinato feltro a trama semplice con resina termoindurente per realizzare laminati, e hanno condotto test di previsione numerica Walker e di prestazione balistica sulla corazza composita preparata. L'US Army Research Laboratory et al. hanno utilizzato monofilamento di nylon trasparente a forma di striscia piatta come rinforzo e hanno preparato un materiale composito con una trasmittanza luminosa di circa il 40% con una resina epossidica trasparente corrispondente al suo indice di rifrazione come matrice. Il test balistico del materiale mostra che il valore V50 del materiale ottenuto è superiore a 305 m/s, un valore molto più alto di quello della resina epossidica e del policarbonato.
Il Sandia National Laboratory degli Stati Uniti ha studiato l'influenza della torsione sulle proprietà di impatto trasversale dei filati di fibre elastiche e ha misurato la velocità dell'onda di taglio di Eulero indotta dall'impatto con una telecamera ad alta velocità. I risultati mostrano che la velocità dell'onda di taglio di Eulero aumenta con il numero di torsioni nel filato di fibre, il che implica prestazioni balistiche più elevate. Pertanto, l'uso di filati di fibre ritorte nei materassini di fibre balistiche può migliorare le proprietà balistiche del materiale. È stato studiato l'effetto del campo magnetico sulle proprietà balistiche delle fibre aramidiche e delle fibre di polietilene ad altissimo peso molecolare. I ricercatori hanno inserito fibre aramidiche e fibre di polietilene ad altissimo peso molecolare tra due serie di magneti opposti in terre rare per testare l'effetto della repulsione del campo magnetico sulle proprietà balistiche dei materiali. I risultati mostrano che la repulsione magnetica può impedire ai proiettili di penetrare nel pannello frontale delle fibre aramidiche.
La nanomodificazione delle fibre aramidiche o il nanoriempimento dei loro compositi migliorerà anche le proprietà balistiche. I ricercatori hanno migliorato la resistenza interfacciale coltivando nanofili verticali di ZnO sulla superficie della fibra. La resistenza interfacciale della fibra è superiore del 96,9% rispetto a quella della fibra nuda e il carico di picco del test di estrazione è aumentato di 6,5 volte. I nanofili di ZnO migliorano le prestazioni di estrazione delle fibre, il che a sua volta aumenta anche il livello di protezione dagli impatti balistici del materiale.
I ricercatori hanno studiato l'effetto dei riempitivi a nanoparticelle su compositi resistenti agli urti e hanno condotto test balistici V50 su compositi in fibra caricati con fibre di carbonio macinate e nanoparticelle (nanotubi di carbonio e particelle di gomma nucleo-guscio). I risultati mostrano che il riempitivo a nanoparticelle di gomma nucleo-guscio è efficace nell'assorbimento di energia durante l'impatto grazie all'effetto di cavitazione e migliora significativamente anche le prestazioni balistiche. I riempitivi a nanotubi di carbonio possono migliorare le prestazioni dell'interfaccia matrice-fibra e anche le prestazioni balistiche. Entrambi possono migliorare le prestazioni antibalistiche V50 del materiale composito. L'aggiunta dell'1% di una frazione in massa di fibre di carbonio macinate e dell'1% di nanoparticelle al materiale composito può aumentare il V50 rispettivamente del 7,3% (nanotubi di carbonio) e dell'8% (particelle di gomma nucleo-guscio) rispetto al campione di riferimento.
2. Fibra di carbonio
Il modulo di Young della fibra di carbonio è solitamente più di tre volte superiore a quello della fibra di vetro tradizionale e presenta un importante potenziale applicativo nell'alleggerimento delle attrezzature militari e nel miglioramento della sopravvivenza. Nel 2015, il Georgia Institute of Technology negli Stati Uniti ha sviluppato un nuovo processo per la preparazione di fibre di carbonio continue in gel-spun basate sulla tecnologia di filatura del poliacrilonitrile (PAN). La resistenza media alla trazione delle fibre di carbonio a base di PAN preparate è compresa tra 5,5 e 5,8 GPa, il modulo di elasticità è compreso tra 354 e 375 GPa e il modulo di elasticità è dal 25% al 36% superiore a quello della fibra di carbonio a base di PAN di tipo IM7, ampiamente utilizzata nel settore aerospaziale. La combinazione di valore più elevato. In futuro, ottimizzando materiali e processi, la resistenza e il modulo delle fibre di carbonio a base di PAN saranno migliorati simultaneamente.
3. Fibra PBO
La fibra PBO è stata originariamente sviluppata dall'Aeronautica Militare statunitense e successivamente è stata prodotta da aziende giapponesi. La fibra PBO è nota come una fibra ad altissime prestazioni del futuro, in grado di sostituire la fibra aramidica. Questa fibra ha una densità inferiore a quella della fibra aramidica, ma le sue proprietà meccaniche e la resistenza ambientale sono di gran lunga superiori ad altre fibre aramidiche.
Nel 2006, l'Università della California ha firmato un contratto con l'Esercito degli Stati Uniti per condurre test balistici volti a determinare le prestazioni balistiche delle fibre di Zylon. I risultati dimostrano che la fibra di Zylon offre prestazioni migliori rispetto al Kevlar29 e, se utilizzata nei sistemi corazzati, ne migliora efficacemente le prestazioni di protezione e la mobilità. Sebbene le fibre di PBO offrano i vantaggi di leggerezza, elevata resistenza e alto modulo elastico, sono limitate dal degrado delle proprietà meccaniche durante l'utilizzo in applicazioni protettive. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato un processo di post-trattamento con diffusione di reagenti chimici di CO2 supercritica per trattare le fibre di PBO, in modo da ridurre il tasso di deterioramento delle proprietà meccaniche e prolungarne la durata. I ricercatori dell'Università del Massachusetts Amherst hanno studiato la stabilizzazione delle fibre di PBO dopo il post-trattamento con CO2 supercritica, utilizzando CO2 supercritica come agente estraente per estrarre l'acido fosforico residuo e l'acqua dalle fibre di PBO e utilizzandolo come mezzo per introdurre una varietà di La sostanza neutralizza l'acido fosforico e indebolisce l'effetto di degradazione dell'acqua e dell'acido sulle fibre di PBO.
La laminazione delle fibre balistiche può essere un fattore che ne compromette le prestazioni. I ricercatori hanno studiato l'effetto della piegatura sulla degradazione delle prestazioni delle fibre balistiche in PBO e hanno determinato sperimentalmente l'impatto di questo meccanismo di rottura sulle prestazioni di protezione delle armature. Hanno inoltre approfondito l'effetto della piegatura sulla struttura interna delle fibre elastiche. I ricercatori giapponesi hanno condotto numerose ricerche sulle fibre in PBO. Ad esempio, hanno studiato il trattamento termico per migliorare la resistenza a trazione e a fatica delle fibre in PBO ad alto modulo e hanno studiato l'influenza della velocità di taglio sulla resistenza a trazione delle fibre in PBO ad alto modulo.
