BALİSTİK KORUYUCU YELEK MMM 4711 TASARIM VE MALZEME SEÇİMİ

Alper GÜNEREN 2010512022Eray KAPLAN 2010512025Furkan KARADUMAN 2010512028Uğur KARAALİ 2010512026

Proje Yöneticisi Proje Danışmanı Prof.Dr.Kazım ÖNEL Doç. Dr. Uğur MALAYOĞLU

İÇİNDEKİLER

Koruyucu Yelek Nedir?

Beklenen Özellikler

Tasarım

Kevlar Üretimi

Kalite Kontrol

NEDEN KORUYUCU YELEK

Daha öncelerde savunma sanayiinde kullanılan çelik yeleklerin bir takım olumsuz özelliklerinden dolayı yeni koruyucu yelek tasarımlarına ihtiyaç duyulmuştur.

Kullanılan koruyucu çelik yeleğin

-Üretim maliyeti-Ağır oluşu -Gelişen teknolojiye ayak uyduramaması alternatif bir

tasarımın geliştirilmesine neden olmuştur.

Amaç

Kurşun geçirmez yelek ya da balistik koruyucu yelek, ateşli silahlardan çıkan kurşunların etkisini azaltmak ve patlama sonucunda oluşabilecek şarapnelden korunmak amacıyla giyilen bir kişisel zırhtır.

İhtiyaç duyulan gereksinimlerin karşılanması doğrultusunda tasarlanması planlanan koruyucu ürünün; savunma sanayiinde ve savaş donanımlarında daha verimli sonuçlar sağlaması hedeflenmektedir.

Temel amaç koruyucu yeleğin minimum kütlede olmasıdır.

Balistik Koruyucu Yelek

• Yumuşak yelekler, örülmüş ya da katmanlar halinde hazırlanmış liflerden oluşur ve giyen kişiyi küçük kalibreli tabanca ve çifte mermileri el bombası gibi patlayıcıların şarapnel parçalarından korur.

• Metal ya da seramik levhalar da yeleklerde tüfek fişeklerine karşı ekstra koruma sağlamak amacıyla kullanılabilir

Balistik Koruyucu Yelek

Beklenen Özellikler

Balistik dayanım özelliği mermi veya fragmantların enerjisini kendi üzerlerine yayarak azaltma ve noktasal etkiyi yok etme esasına dayanır.

Balistik koruyucu sistemlerin enerji absorbsiyon özellikleri üzerinde etkili olan faktörleri;

Kullanılan lifin özellikleri Kumaş sıklığı Gramajı Kaç kat kumaş kullanıldığı Atılan merminin büyüklüğü ve şekli Vuruş hızı ve vuruş açışı olarak sayabiliriz.

Balistik Dayanım

• Yelekte kullanılan her bir katman merminin enerjisini azaltır. Herbir katmanda merminin ani darbe enerjisi lifler tarafından absorbeedilir ve dokuma kumaş yapısal özelliğinden dolayı diğer liflereiletilerek yayılır.

• Enerjinin diğer liflere transferi sonraki kumaş katmanlarına dayayılarak devam eder. Bu özellikten dolayı noktasal ani darbeenerjisi çok geniş bir alana yayılarak etkisini önemli ölçüdekaybeder.

Balistik dayanım, limiti mermi hızına bağlı olarak açıklanır ve merminin kumaştan geçmeye başladığı hız ile tanımlanır.

Birbirine bitişik iplikler üzerinde ani darbe şokunun konumu enine yönde şok dalgalanmasının yayılma hızına ve kumaştaki atkı ve çözgü ipliklerinin kalınlığına bağlıdır.

Hafiflik

Balistik koruyucu yeleklerde aranan bir diğer önemli özelliklerden biride minimum yoğunluktur. Yani malzemenin olduğunca hafif olmasıdır.

Balistik koruma performansı kumaş gramajına ve yelekte kullanılan katman sayısına bağlı olarak artar.

Bununla birlikte yeleğin ağırlığı da artar ve aynı zamanda maliyeti yükselir.

Bu iki özellik birbirleriyle tezattırlar ve mutlaka her yelek tipi için doğru bir şekilde optimize edilmelidir.

Mukavemet ve Tokluk

Tokluk, bir malzemenin kırılmadan önce sönümlediği enerjinin bir ölçüsüdür. Bir malzemenin kırılmadan bir darbeye dayanması yeteneği söz konusu olduğunda önem kazanan bir mühendislik özelliğidir.

Mukavemet ise malzemenin hasara karşı gösterdiği direnç olarak nitelendirilebilir.

- Akma Dayanımı

- Çekme Dayanımı

- Kopma Gerilmesi

Mukavemet ve Tokluk

Esneklik

Balistik koruyucu yelek yapımında dikkat edilmesi gereken önemli özelliklerden biriside malzemenin esnekliğidir. Çünkü balistik koruyucu yelek kullanıcıların hareketini kısıtlamamalı ve rahat bir şekilde hareket etmeleri sağlamalıdır.

Eskiden ağır ve esnek olmayan çelik yeleklerin yerine ,“Kevlar” adı verilen bu iplikle, yelekler esnek ve hafif (ortalama 5 kg.) bir hale geldi.

Fonksiyon-Özellik TablosuParça Fonksiyon Özellik

I. Ana Malzeme i. Kurşun tarafından uygulanan darbeyi sönümleyerek ara malzemeye iletmek.

i. Ergonomik olmalıii. Mukavim olmalıiii. Uygulanan darbe altında

formunu korumalıiv. Kırılgan olmamalıv. Hafif olmalıvi. Kullanıcının hareketini

engellemeyecek esnek ve şekil değiştirebilir olmalı

I. Ara Malzeme i. Darbe enerjisini yaymak ve yok etmek.

i. Yüksek ıslatabilirlikii. Ana malzemenin

ipliklerini bir arada tutmalı

iii. Bir noktadan darbeyi homojen olarak yayma

I. Dış kumaş i. Kaplama i. Su geçirmemeliii. Ana malzemeyi darbe

dışındaki etkenlerden korumalı

Ana Malzeme Tasarım Tablosu

Tasarım Tablosu

Fonksiyon Balistik darbe sönümleme yapan kiriş

Hedef Minimum kütle

KısıtlarMalzeme boyutlarıKIC <KICo şartı (Kırılma tokluğu yeterince yüksek olmalı)Mukavemet (F kuvvetini sınırlı çökme ile taşımalı)

Serbest Değişken Malzeme cinsi

İndeksler

Kırılma Tokluğu için malzeme indeksi:

𝑴𝟏 =𝑲𝑰𝑪

𝝈𝒇

Elastik çökme için malzeme indeksi:

𝑴𝟐 =𝑬 𝟏 𝟐

𝝆

Kalınlık sınırı için malzeme indeksi

𝑴𝟑 = 𝝈𝒇

Ana Malzeme Seçimi

𝑴𝟏 =𝑲𝑰𝑪

𝝈𝒇

Kırılma Tokluğu için malzeme indeksi:

𝑴𝟑 = 𝝈𝒇

Malzemeİndeks M =

𝐊𝟏𝐜

𝛔𝐟[m 1/2]

Genel Özellikler

Alüminyum

alaşımları

0,20 İndeksi yüksek olmasına rağmen ergonomik ve

hafiflik yönünden ana malzeme için uygun değildir

dış kaplama olarak kullanılabilir.

Çelik 0,16 Koruyucu yelek olarak kullanılan malzemelerdir.

Yüksek dayanımlı kompozitlerin bulunması ile

önemini kaybetmiştir.

Titanyum alaşımları 0,15 Pahalı ve yoğunluğu yüksektir.

Magnezyum

alaşımları

0,14 Mukavemeti yeterli seviyede değildir. Gerekli

dayanım için kalın bir yelek tasarımı yapılır fakat

hafiflik sağlanamaz.

Kompozitler 0,11 İndeksi diğerlerine göre düşük görülmesine rağmen

takviye malzemeleri ile metallere göre çok dayanıklı

özelliklere bürünmektedirler.

Mikro şekil faktörü toleransı ile hafif ve özel üretim

teknikleri ile darbe enerjisi yayma özellikleri çok

yüksektir.

Elastik çökme için malzeme indeksi:

𝑴𝟐 =𝑬 𝟏 𝟐

𝝆

Kompozitler

Malzeme Yoğunluk (g/cm3) Çekme Dayanımı

(MPa)

Modülüs (GPa)

E-Cam 2.55 2000 80

S-Cam 2.49 4750 89

Alüminyum 3.28 1950 297

Karbon 2.00 2900 525

Kevlar 29 1.44 2860 64

Kevlar 49 1.44 3750 136

Performans Sıralaması

Malzeme İndeks M =

E1/2/ρ

[GPa1/2/ mgm-3]

Genel Özellikler

Karbon fiber 11,46 Ultraviyole ışında bozunurlar.

Birleşme özellikleri kötü olabilir ve üretim

sonucu mikro çatlak oluşabilir.

Kevlar 49 8,09 İndeksi yüksektir ama sünekliği düşüktür.

Kevlar 29 5,55 Yaygın olarak tercih edilen koruyucu yelek

malzemesidir.

Alumina(Al2O3) 5,25 Kevlare göre indeksi düşüktür.

Hareket kabiliyetini kısıtlayıcıdır.

S-Cam 3,79 Kevlare göre indeksi düşüktür.

Kevlare alternatiftir.

E-Cam 3,51 İndeksi düşüktür.

Ara Malzeme

1. Silika bazlı dolgu malzemesi

Kevlar kumaşı 2 bar basınç altında %60 silika oranına sahip silika bazlı sıvı (STF) içine gömüldüğünde 465 g/m2 yoğunluğundayken 129.3 J enerji absorblayabilmiştir.

2. Reçine dolgu malzemesi

Epoksi+mantar, epoksi+kil ve epoksi+kil+mantar matrislerinin içine yerleştirilmiş Kevlar liflerinin darbe enerjilerini %75-80’i absorblanabilmiştir.

3. Toz alümina (Al2O3) dolgu malzemesi

Kevlar-29 lif ve Al2O3 toz takviyeli kompozit malzemeler kalınlık oranına bağlı olarak yaklaşık 20mm kalınlıkta 600J’e kadar enerji sönümleyebilmektedir

b)

b

a) saf epoksi reçine matrisli Kevlar,

b) b) nanokil ile doldurulmuş epoksimatrisli kevlar

a)

Kevlar

Kevlar, çok hafif karbon kökenli çok sağlam liflerdenoluşan bir malzemedir. Kevlar günümüzde zırh, sağlam halatyapımı, yanmayan koruyucu giysi yapımında kullanılmaktadır. ,

Kevlar çok yüksek çekme gerilimine dayanabilenliflerden oluşan ipliksi bir yapıdır. "Aynı ağırlıktaki çelikten 5 katdaha sağlamdır" sloganı ile pazarlanmaktadır. Kevlar;

• Dokunabilir

• Kumaş haline getirilebilir

• Kesilebilir

• ve dikilebilir.

Kevlar

Kevlar

Önemli özellikleri:

Genellikle rengi sarıdır

Düşük yoğunlukludur.

Yüksek dayanıklılık.

Yüksek darbe dayanımı,

Yüksek aşınma dayanımı,

Yüksek yorulma dayanımı,

Yüksek kimyasal dayanımı vardır.

Kevlar elyaflı kompozitler cam elyaflı kompozitlere göre 35% daha hafiftir.

Üretim Süreci

Şekil 10.Aramid monomerinin polimerizasyonşeması [12]

Konsantre Sülfürik asitin kullanımından doğan sebeplerden ötürü Kevlar üretimi pahalıdır.

Bazı balistik koruyucu yelekler müşterinin korunmaihtiyaçlarını veya boyutunu karşılamak için özel olarak yapılır.Ancak çoğu standart koruma yönetmeliklerine uygun (32 en,38 boy) standart giyim sanayi boyutları vardır.

Kevlar yapmak için, polimer poli-para-fenilen terefitalamidönce laboratuarda üretilmelir. Bu işlem polimerizasyon olarakbilinen bir işlemdir ve uzun zincirlerin kombine molekül haliniiçerir.

Çubuklar şeklindeki polimerler ile elde edilen kristal halindesıvı daha sonra Kevlar iplik oluşturmak üzere bir iplik teliçekme gözünün (bir duş başlığı gibi görünen küçük deliklerdolu küçük bir metal plaka) boyunca geçirilir.

Kevlar Fiber sonra sertleşmesine yardımcı olmak için birsoğutma banyosundan geçer.

Su püskürtülür, daha sonra sentetik kevlar lifi rulo üzerinesarılmaktadır.

Kevlar üreticisi daha sonra, genel olarak bükücüye gönderir,burada kevlar fiber dokuma için uygun hale getirilir.

Balistik koruyucu yelekler kevlar liflerinden dokunmuşkumaşlardan birçok kat üst üste dikilerek oluşturulur.

Bu oluşturulan panel şekilli kevlarlar dolgu malzemesi olarakepoksi reçineler kullanılarak yelek kalıbı üzerine belirli açılarlaserilir ve vakum destekli reçine infüzyon üretim yöntemleriprosesleri esas alınarak pişirme ve kalıptan çıkarma işlemleriyapılır.

Kalite Kontrol

Balistik koruyucu yeleği oluşturan parçalara çekme testleriuygulanır ve elde edilen kompozisyonların gerilmemukavemetleri test edilir.

Tüm balistik koruyucu yelekler aynı değildir. Bazı yeleklerdüşük hızlı mermilerden korurken bazıları yüksek hızlımermilerden koruyabilmektedir.

Yelek düşükten en yüksek koruma yapısına göresınıflandırılmalıdır. Örnek olarak I, II-A, II, III-A, III, IV gibisınıflandırılmaları vardır.

Yelek ıslak ve kuru şekilde test edilir. Çünkü lifler bu ortamiçinde farklı özellikler gösterebilir.

Her atış bir önce atılan mesafenin 5 santimetre gerisindenyapılmalıdır. İkisi 300 açı ile diğer dördü 00 açı ile olmak üzerealtı atış yapılır. Bir atış illaki dikiş üzerine düşmelidir.

Testi geçmek için yelek penetrasyon göstermemeli ve kilkuklada hiç bir delik oluşmamalıdır. Mermi göçük bırakmasınırı ise 4,4 santimetreden derin olmamalıdır.

DİNLEDİĞİNİZ İÇİNTEŞEKKÜRLER…

Projemizde yardımcı olan Tekstil Mühendiliği Bölümüne Teşekkür ederiz.Befru BÜYÜKBAYRAKTAR

Almira BÜTÜN