Institut Bahan Bukan Logam: Analisis Perbandingan Rintangan Tusukan Bahan Berasaskan Serat/Resin Berprestasi Tinggi Di Bawah Piawaian Domestik dan Antarabangsa

Perbandingan Rintangan Tusukan Bahan Berasaskan Serat/Resin Berprestasi Tinggi Di Bawah Piawaian Domestik dan Antarabangsa

Abstrak: Kertas kerja ini mengkaji perbezaan rintangan tikaman antara pelbagai bahan berasaskan gentian/resin berprestasi tinggi dengan membandingkan keputusan ujian yang diperoleh di bawah piawaian *JAS Tahan Tikaman Polis GA 68-2024* China dan piawaian AS *NIJ 0115.00-2000 Rintangan Tikaman Perisai Badan Peribadi*. Ia juga menganalisis ciri-ciri metrik penilaian dan keperluan prestasi bahan khusus yang ditekankan oleh piawaian domestik dan antarabangsa ini. Rintangan tikaman dinilai dengan mengira bilangan lapisan dan ketumpatan luas bahan yang diperlukan untuk memenuhi tahap perlindungan tertentu. Keputusan menunjukkan bahawa untuk bahan berasaskan gentian/resin berprestasi tinggi, rintangan tikaman bertambah baik dengan kekuatan gentian yang lebih tinggi apabila kandungan resin adalah serupa, dan bertambah baik dengan kandungan resin yang lebih tinggi apabila kekuatan gentian adalah serupa. Memenuhi keperluan Kelas A bagi piawaian GA 68 memerlukan lebih daripada dua kali ganda bahan yang diperlukan untuk Kelas B, dan bilah D2 dalam piawaian GA 68 adalah lebih kuat daripada bilah D3. Di bawah piawaian NIJ 0115.00, bilah S1 agak kurang kuat; Bilah P1 mengenakan permintaan yang tinggi terhadap kekuatan gentian, manakala bilah paku mengenakan permintaan yang tinggi terhadap kandungan resin. Keadaan suhu tinggi mempunyai impak yang paling ketara terhadap bahan tahan tikaman berasaskan resin; oleh itu, rintangan tikaman suhu tinggi merupakan tumpuan utama apabila menguji sampel terhadap piawaian GA 68.

Kata kunci: Rintangan tikaman; gentian berprestasi tinggi; piawaian rintangan tikaman; bahan tahan tikaman; ketumpatan luas

Evolusi bahan tahan tikaman untuk perisai badan telah melalui tiga peringkat: bahan tegar, bahan separa tegar dan bahan lembut. Pada masa ini, bahan tahan tikaman lembut yang biasa digunakan di dalam dan luar negara ialah komposit berasaskan gentian/resin berprestasi tinggi. Vest tahan tikaman yang diperbuat daripada bahan-bahan ini telah menggantikan pilihan tegar dan separa tegar kerana keselesaan pemakaiannya yang unggul dan risiko menyebabkan kecederaan sekunder yang berkurangan [1-7].

Serat aramid (termasuk para-aramid dan aramid heterosiklik), poli(p-fenilena benzobisoksazol) gentian (PBO) , polietilena berat molekul ultra tinggi Serat (UHMW-PE) , dan gentian karbon kini merupakan gentian berprestasi tinggi utama. Gentian UHMW-PE mempunyai kekutuban permukaan yang rendah, manakala resin pengukuh yang digunakan untuk menghamilkannya mempamerkan kekutuban permukaan yang tinggi; ketidakpadanan ini mengakibatkan ikatan antara muka yang lemah, menjadikan gentian UHMW-PE tidak sesuai untuk fabrikasi bahan tahan tikaman berasaskan resin [8-10]. Walaupun gentian karbon menawarkan kekuatan tegangan dan modulus yang tinggi, ketahanan patahnya yang rendah mengehadkan penyerapan tenaga, dan ia jarang digunakan secara berasingan untuk aplikasi perlindungan. Akibatnya, gentian aromatik seperti aramid dan PBO adalah gentian berprestasi tinggi yang dominan yang digunakan dalam bahan tahan tikaman berasaskan resin [11-14].

Untuk menilai rintangan tikaman bahan pelindung, negara-negara seperti Amerika Syarikat, United Kingdom dan Jerman telah menetapkan piawaian yang berkaitan untuk perisai badan tahan tikaman. Yang paling berpengaruh ialah "Rintangan Tikaman Perisai Badan Peribadi" (Standard NIJ 0115.00-2000), yang dikeluarkan oleh Institut Kehakiman Negara (NIJ) di bawah Jabatan Kehakiman AS, yang diguna pakai secara meluas di seluruh dunia. Negara saya juga telah menetapkan piawaiannya sendiri untuk perisai badan tahan tikaman, "GA 68-2024 Perisai Badan Tahan Tikaman Polis," yang dirumuskan oleh Kementerian Keselamatan Awam.

Kertas kerja ini membentangkan perbandingan dan penilaian sistematik terhadap prestasi rintangan tikaman bahan komposit gentian/resin berprestasi tinggi ini terhadap piawaian China dan AS. Tambahan pula, ia menganalisis ciri-ciri dan titik fokus piawaian domestik dan antarabangsa mengenai kaedah ujian, metrik penilaian dan keperluan prestasi bahan.

1 Bahagian Eksperimen

1.1 Bahan Mentah Utama
Fabrik gentian para-aramid kekuatan standard: TH5108 (kekuatan tegangan gentian: 21.5 cN/dtex), buatan sendiri;
Fabrik gentian para-aramid kekuatan tinggi: TH61081 (kekuatan tegangan gentian: 23.5 cN/dtex), buatan sendiri;
Fabrik gentian aramid heterosiklik: F-3P200 (kekuatan tegangan gentian: 28 cN/dtex), buatan sendiri;
Fabrik gentian PBO: JQZW SP200-1100 (kekuatan tegangan gentian: 28 cN/dtex), buatan sendiri;
Resin epoksi dan amina alifatik yang diubah suai: buatan sendiri.

1.2 Instrumen dan Peralatan Utama
Penguji rintangan tikaman GA68: MPFCT-2000, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Penguji rintangan tikaman NIJ: AQJL-300, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Bilah ujian GA68: D1, D2, D3, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.;
Bilah ujian NIJ: P1, S1, Spike, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.

1.3 Penyediaan Sampel
Disebabkan oleh perbezaan keserasian antara pelbagai gentian berprestasi tinggi dan resin epoksi, sedikit variasi dalam ketumpatan luas bahan tahan tusukan yang disediakan berlaku selepas salutan dan pengawetan resin, walaupun ketumpatan luas fabrik awal adalah sama [15-18]. Bagi memastikan kesahan saintifik dan ketelitian keputusan ujian, empat jenis fabrik gentian berprestasi tinggi—para-aramid kekuatan standard, para-aramid kekuatan tinggi, aramid heterosiklik dan PBO—telah dipilih, semuanya dengan ketumpatan luas 200 g/m².

Bahan-bahan tahan tikaman telah disediakan menggunakan proses salutan resin manual. Beberapa sampel berukuran 350 mm × 300 mm telah dipotong daripada empat jenis fabrik gentian berprestasi tinggi yang dinyatakan di atas. Resin epoksi telah disapu pada kedua-dua belah fabrik menggunakan pengikis, diikuti dengan pengawetan pasca dalam autoklaf pada suhu 120°C dan tekanan pengacuan 0.3 MPa selama 4 jam. Oleh itu, enam jenis bahan komposit tahan tikaman gentian/resin-matriks berprestasi tinggi telah disediakan. Antaranya, sampel 1# hingga 3# menggunakan jenis gentian yang sama—fabrik gentian para-aramid kekuatan standard—tetapi mempunyai kandungan resin yang semakin meningkat; sampel 3# hingga 6# menggunakan jenis gentian yang berbeza tetapi mempunyai kandungan resin yang serupa. Parameter asas sampel bahan tahan tikaman disenaraikan dalam Jadual 1. Untuk menyediakan lapisan tahan tikaman untuk ujian, bahan-bahan tersebut disusun dan dimeteraikan dalam fabrik kalis air hitam; penutup ini melindungi bahan dengan berkesan daripada cahaya, kelembapan dan bahan cemar, memastikan ketepatan ujian. Nilai ketumpatan kawasan yang dilaporkan untuk sampel dalam ujian berikutnya merujuk kepada bahan tahan tikaman itu sendiri, tidak termasuk fabrik kalis air.


1.4 Pengujian dan Pencirian
Sampel lapisan tahan tikaman telah diuji mengikut piawaian GA 68 dan NIJ 0115.00; perbandingan kedua-dua piawaian ini disediakan dalam Jadual 2. Piawaian GA 68 terdiri daripada dua tahap—Kelas A dan Kelas B—kedua-duanya memerlukan tenaga tebuk 24 J tanpa penembusan dibenarkan semasa ujian. Kelas A bertujuan untuk persekitaran umum dan hanya melibatkan satu jenis bilah. Kelas B direka bentuk khusus untuk persekitaran penerbangan, di mana kemungkinan bertemu bilah yang sangat tajam adalah minimum; akibatnya, spesifikasi ketajaman untuk bilah D2 dan D3 dalam Kelas B dikurangkan.


Nota: E1 dan E2 mewakili dua aras tenaga ujian tahan tikaman dalam NIJ 0115.00.

NIJ 0115.00 dibahagikan kepada tiga tahap perlindungan. Setiap tahap memerlukan ujian lulus dengan tiga jenis bilah (bilah P1, bilah S1 dan paku). Tambahan pula, setiap tahap melibatkan dua peringkat tenaga: penembusan maksimum yang dibenarkan ialah 7 mm untuk ujian tenaga rendah dan 20 mm untuk ujian tenaga tinggi.

Struktur dan prinsip operasi peralatan ujian untuk GA 68 dan NIJ 0115.00 adalah sama; Rajah 1 menunjukkan skema peralatan ujian rintangan tikaman, dan Rajah 2 menunjukkan bilah ujian. Lapisan tahan tikaman diletakkan pada bahan sokongan pada platform ujian. Bilah ujian, yang dipasang pada pemasangan ujian, menembusi lapisan tahan tikaman melalui jatuh bebas. Zon pengukuran halaju menangkap kelajuan jatuh bebas bilah untuk mengira tenaga ujian; ujian dianggap sah jika tenaga memenuhi keperluan piawaian.

2 Keputusan dan Perbincangan

2.1 Perbandingan prestasi rintangan tikaman bahan berbeza di bawah piawaian berbeza
Ujian rintangan tikaman telah dijalankan ke atas enam bahan yang disenaraikan dalam Jadual 1 di bawah keadaan suhu ambien. Lima set sampel telah diuji untuk setiap konfigurasi, dan keputusannya mewakili purata lima set ini. Pada tahap perlindungan tertentu, bahan yang memerlukan lebih sedikit lapisan—dan dengan itu mempunyai ketumpatan luas keseluruhan yang lebih rendah—menunjukkan prestasi rintangan tikaman yang unggul; sebaliknya, bahan yang memerlukan lebih banyak lapisan—dan dengan itu mempunyai ketumpatan luas keseluruhan yang lebih tinggi—menunjukkan prestasi yang lebih rendah. Jadual 3 membandingkan prestasi rintangan tikaman bahan yang berbeza di bawah pelbagai piawaian. Bagi GA 68 Kelas A dan Kelas B, tenaga ujian ialah 24 J. Bagi NIJ 0115.00 Tahap I, II dan III, ujian telah dijalankan pada tahap tenaga E1 dan E2 yang sepadan seperti yang dikehendaki oleh piawaian; keputusan yang dilaporkan ialah ketumpatan luas maksimum yang diperlukan untuk memenuhi kedua-dua tahap tenaga secara serentak.
Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 3: (1) Di bawah tahap piawaian rintangan tikaman yang sama, antara bahan 3#, 4#, 5#, dan 6# (yang mempunyai kandungan resin yang serupa), bahan PBO 6# mempunyai ketumpatan luas terendah, manakala bahan para-aramid 3# mempunyai yang tertinggi; oleh itu, bahan PBO 6# mempamerkan rintangan tikaman terbaik. Ini menunjukkan bahawa untuk bahan tahan tikaman berasaskan resin dengan kandungan resin yang sama, kekuatan gentian yang lebih tinggi menghasilkan rintangan tikaman yang lebih baik. (2) Di bawah tahap piawaian yang sama dan menggunakan jenis fabrik gentian yang sama, ketumpatan luas bahan 1#, 2#, dan 3# meningkat secara progresif. Ini menunjukkan bahawa untuk bahan berasaskan resin yang menggunakan gentian yang sama, kandungan resin yang lebih tinggi menghasilkan rintangan tikaman yang lebih baik. (3) Walaupun kedua-dua ujian GA 68 Kelas A dan Kelas B melibatkan tikaman dengan tenaga 24 J, ketajaman bilah berbeza, dengan bilah Kelas B kurang kuat; Ketumpatan luas yang diperlukan untuk melindungi daripada bilah Kelas A adalah lebih daripada dua kali ganda daripada yang diperlukan untuk bilah Kelas B, menunjukkan bahawa bilah Kelas B dalam piawaian GA 68 mempunyai kurang daripada separuh potensi bilah Kelas A. Bagi piawaian NIJ 0115.00, tenaga tikaman meningkat merentasi tiga peringkat; akibatnya, bilangan lapisan dan ketumpatan luas bahan yang diperlukan untuk memberikan perlindungan juga meningkat secara progresif. (4) Ketumpatan luas yang diperlukan untuk melindungi daripada GA 68 Kelas A dan NIJ 0115.00 Tahap I adalah serupa; ujian GA 68 Kelas A melibatkan 24 J tenaga dengan penembusan sifar dibenarkan, manakala piawaian NIJ 0115.00 melibatkan 24 J untuk tahap tenaga rendah (membenarkan penembusan 7 mm) dan 33 J untuk tahap tenaga tinggi (membenarkan penembusan 20 mm), menunjukkan bahawa kedua-dua tahap perlindungan ini mengenakan permintaan yang setanding pada bahan tahan tikaman berasaskan resin.

2.2 Perbandingan Rintangan Tusukan Bahan Berbeza Terhadap Pelbagai Bilah Ujian
Keterukan ancaman yang ditimbulkan oleh pelbagai jenis bilah—dua daripada piawaian GA 68 Kelas B dan tiga daripada piawaian NIJ 0115.00—disiasat pada tahap tenaga yang setara. Apabila menilai sama ada sesuatu bahan memenuhi piawaian rintangan tikaman, bilah paling kuat yang dinyatakan dalam piawaian biasanya merupakan faktor penentu; jika sampel boleh menahan bilah yang paling kuat, dapat disimpulkan bahawa ia memenuhi piawaian untuk tahap perlindungan tersebut. Memandangkan bilah yang berbeza mengenakan permintaan yang berbeza pada bahan, menganalisis variasi prestasi merentasi bilah yang berbeza mendedahkan ciri-ciri khusus bahan tersebut. Pelbagai bahan tahan tikaman telah diuji terhadap dua bilah GA 68 Kelas B dan tiga bilah NIJ 0115.00. Jadual 4 menyenaraikan bilangan lapisan bahan dan ketumpatan luas yang diperlukan untuk bahan tersebut memenuhi piawaian GA 68 Kelas B dan NIJ 0115.00 Tahap I yang sepadan.


Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 4: (1) Berkenaan dua bilah GA 68 Kelas B yang digunakan pada bahan tahan tikaman resin-matriks bertetulang gentian berprestasi tinggi, pertahanan terhadap bilah D3 memerlukan lebih banyak bahan daripada pertahanan terhadap bilah D2, menunjukkan bahawa bilah D3 menimbulkan ancaman yang lebih besar. Oleh itu, semasa ujian rintangan tikaman awal, jika bahan dengan ketumpatan luas tertentu dapat menahan bilah D2, secara amnya dapat disimpulkan bahawa bahan tersebut—pada ketumpatan luas tersebut—mampu melepasi ujian GA 68 Kelas B. (2) Merentasi tiga tahap NIJ 0115.00, ketumpatan luas yang diperlukan untuk ujian tenaga tinggi (membenarkan penembusan 20 mm) secara konsisten lebih tinggi daripada yang diperlukan untuk ujian tenaga rendah (membenarkan penembusan 7 mm). Oleh itu, semasa ujian awal, jika bahan dengan ketumpatan luas tertentu dapat menahan ujian tenaga tinggi untuk tahap NIJ 0115.00 yang diberikan, dapat ditentukan bahawa bahan tersebut memenuhi standard untuk tahap tersebut, sehingga tidak perlu lagi melakukan ujian tenaga rendah tambahan pada tahap yang sama. (3) Antara tiga jenis bilah yang dinyatakan dalam NIJ 0115.00, bilah S1 memerlukan ketumpatan luas terendah bagi bahan tahan tikaman resin-matriks bertetulang gentian berprestasi tinggi untuk perlindungan, menunjukkan bahawa bilah S1 adalah yang paling kurang hebat. Bilah P1 dalam NIJ 0115.00 adalah serupa dengan bilah D1 dalam piawaian keselamatan awam domestik; ia mempunyai bilah yang agak panjang dan lebar, memberikan tindakan ricih yang lebih kuat pada bahan semasa penembusan, dan memberikan tuntutan yang lebih tinggi pada sifat mekanikal gentian. Oleh itu, bahan dengan kekuatan gentian yang lebih tinggi menawarkan perlindungan yang lebih baik terhadap bilah P1. Antara sampel #3, #4, #5, dan #6—yang berkongsi kandungan resin yang setanding—sampel #6 mempamerkan sifat mekanikal terbaik dan dengan itu memerlukan ketumpatan luas yang lebih rendah untuk melindungi daripada bilah P1. Bilah "paku" dalam NIJ 0115.00 adalah tajam dan langsing; Di bawah hentaman ke bawah berkelajuan tinggi, ia mudah melepasi kekangan gentian, meminimumkan ricih berkas gentian dan gagal melesapkan tenaga kinetik bilah secara berkesan, yang membolehkannya terus menembusi ke bawah. Oleh itu, apabila bertahan terhadap bilah jenis ini, kandungan resin bahan dan kekerasan resin menjadi faktor kritikal. Antara sampel #1, #2, dan #3—yang menggunakan jenis gentian yang sama tetapi berbeza dalam kandungan resin—sampel #3 menunjukkan kelebihan yang lebih ketara dalam melindungi daripada bilah paku berbanding jenis bilah yang lain. Tambahan pula, Jadual 4 menunjukkan bahawa untuk sampel #3, #4, #5, dan #6—yang berbeza dalam kekuatan gentian tetapi mempunyai kandungan resin yang setanding—tiada perbezaan yang ketara dalam perlindungan terhadap bilah paku, sekali gus mengesahkan bahawa bilah paku memberi permintaan yang lebih tinggi terhadap kandungan resin bahan tahan tikaman.

2.3 Perbandingan rintangan tikaman bahan yang berbeza di bawah pelbagai keadaan persekitaran
Piawaian rintangan tikaman negara saya, GA 68, menyediakan spesifikasi terperinci mengenai kebolehsuaian persekitaran vest tahan tikaman, yang merangkumi tiga keadaan: suhu tinggi, suhu rendah dan rendaman air. Ujian suhu tinggi melibatkan pengkondisian sampel pada (55 ± 2)°C selama 4 jam sebelum ujian tikaman; ujian suhu rendah melibatkan pengkondisian pada (-20 ± 2)°C selama 4 jam; dan ujian rendaman air melibatkan merendam sampel lapisan tahan tikaman di dalam air selama 30 minit sebelum menanggalkannya untuk ujian tikaman. Jadual 5 menyenaraikan bilangan lapisan dan ketumpatan kawasan yang diperlukan untuk pelbagai bahan tahan tikaman apabila diuji di bawah keadaan persekitaran yang berbeza.
Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 5, Bahan tahan tikaman gentian/resin-matriks berprestasi tinggi memerlukan ketumpatan luas yang lebih tinggi di bawah keadaan suhu tinggi. Sebaliknya, bilangan lapisan dan ketumpatan luas yang diperlukan pada dasarnya kekal sama di bawah keadaan rendaman air dan suhu ambien. Tambahan pula, bilangan lapisan terendah dan ketumpatan luas terendah diperlukan di bawah keadaan suhu rendah. Ini kerana kekerasan resin berkurangan pada suhu tinggi, dan kekerasan merupakan faktor utama yang mempengaruhi prestasi rintangan tikaman bahan-bahan ini. Kekerasan yang berkurangan melemahkan keupayaan lapisan tahan tikaman untuk menumpulkan hujung bilah, sekali gus mengurangkan prestasi rintangan tikaman. Sebaliknya, kekerasan resin meningkat dalam persekitaran suhu rendah, menghasilkan prestasi rintangan tikaman yang unggul untuk bahan tersebut. Keputusan daripada ujian rendaman air menunjukkan bahawa semasa mengeluarkan jaket tahan tikaman, dengan syarat fabrik kalis air yang membungkus bahan tahan tikaman memenuhi piawaian kualiti, Rintangan tusukan bahan tersebut kekal tidak terjejas apabila direndam dalam air. Ujian awal bahan tahan tusukan harus mengutamakan penilaian prestasi di bawah keadaan suhu tinggi.

3 Kesimpulan

(1) Bagi bahan tahan tusukan gentian/resin-matriks berprestasi tinggi, apabila kandungan resin adalah sama atau serupa, kekuatan gentian yang lebih tinggi menghasilkan rintangan tusukan yang unggul; sebaliknya, apabila kekuatan gentian adalah malar, kandungan resin yang lebih tinggi menghasilkan rintangan tusukan yang lebih baik.

(2) Ketumpatan luas bahan resin-matriks berprestasi tinggi yang diperlukan untuk memenuhi piawaian rintangan tusukan Kelas A GA 68 adalah lebih daripada dua kali ganda daripada yang diperlukan untuk Kelas B. Terdapat hubungan progresif mengenai bahan dan ketumpatan luas yang diperlukan untuk memenuhi tiga tahap perlindungan piawaian AS NIJ 0115.00, dengan ancaman bertenaga lebih tinggi pada tahap tertentu lebih sukar dikalahkan daripada ancaman bertenaga lebih rendah pada tahap yang sama. Rintangan tusukan GA 68 Kelas A adalah setanding dengan NIJ 0115.00 Tahap I.

(3) Berkenaan bahan tahan tusukan gentian/resin-matriks berprestasi tinggi, bilah D2 yang dinyatakan dalam GA 68 kurang kuat berbanding bilah D3. Antara bilah NIJ 0115.00, bilah S1 adalah yang paling kurang kuat; bilah P1 mengenakan tuntutan yang tinggi terhadap kekuatan gentian bahan, manakala bilah paku mengenakan tuntutan yang tinggi terhadap kandungan resin bahan.

(4) Persekitaran suhu tinggi mempunyai impak yang paling ketara terhadap bahan tahan tusukan resin-matriks berprestasi tinggi; oleh itu, ujian awal harus tertumpu pada prestasi rintangan tusukan di bawah keadaan suhu tinggi.