Μηχανισμοί απορρόφησης ενέργειας κρούσης σε σύνθετα κεραμικά
Creators: name: Ηλιάδου, Αικατερίνη Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Κεραμικές Θωρακίσεις
Βαλλιστικές δοκιμές
Σύνθετα κεραμικά
Ceramic Armor
Ballistic Testing
Composite Ceramics

description: Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρασκευή ενισχυμένων και σύνθετων κεραμικών συστημάτων θωράκισης και η μελέτη της ικανότητας τους να απορροφούν την ενέργεια πρόσκρουσης. Η επίδραση της ενίσχυσης των μονολιθικών κεραμικών με ανθρακούφασμα, του περιορισμού του συστήματος με χρήση μέσου στατικής συγκράτησης και η περαιτέρω ενίσχυση τους με σκόνες αλουμινίου και σκωρίας στην απόδοση των κεραμικών συστημάτων ερευνάται με δοκιμές στατικής και δυναμικής καταπόνησης. Κύριος στόχος της εργασίας ήταν η μελέτη της επίδρασης της γεωμετρίας του συστήματος και του είδους των υλικών στο ποσό ενέργειας που απορροφάται. Παρασκευάστηκαν τρείς διαφορετικές κατηγορίες κεραμικών συστημάτων. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει μονολιθικά και ενισχυμένα με ανθρακούφασμα πηλώδη κεραμικά τα οποία ήταν περιορισμένα με μέσο στατικής συγκράτησης και υπέστησαν έψηση στις θερμοκρασίες 950οC,1025οC,1100οC. Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει την επιπλέον ενίσχυση των κεραμικών του προηγούμενου συστήματος με τη χρήση σκόνης αλουμινίου και σκωρίας τα οποία υπέστησαν έψηση στους 1000οC. Η τρίτη κατηγορία περιλαμβάνει μόνο μονολιθικά πηλώδη κεραμικά τα οποία έχουν ψηθεί στις θερμοκρασίες 950οC, 1025οC, 1100οC. Για όλες τις θερμοκρασίες το πρώτο δισκίο ήταν πλήρως περιορισμένο με εποξειδική ρητίνη. Το δεύτερο ήταν μερικώς περιορισμένο καθώς καλύφθηκαν μόνο η κάτω και οι πλάγιες επιφάνειες. Τέλος το τρίτο δισκίο δεν χρησιμοποιήθηκε η εποξειδική ρητίνη αφήνοντας το σύστημα ελεύθερο. Σε όλα τα συστήματα το πάχος διατηρήθηκε σταθερό στα 12 mm και η διάμετρος στα 70mm. Για την πλήρη μελέτη των κεραμικών συστημάτων που κατασκευάστηκαν πραγματοποιήθηκαν δοκιμές στατικής και δυναμικής καταπόνησης. Οι δοκιμές στατικής καταπόνησης περιλαμβάνουν δοκιμές σκληρομέτρησης και δισδιάστατης κάμψης. Οι δοκιμές δυναμικής καταπόνησης περιλαμβάνουν τη δοκιμή πρόσπτωσης βάρους με ελεύθερη πτώση χρησιμοποιώντας μάζες 265g, 465g, 670g από τρία διαφορετικά ύψη: 1m, 1,75m και 2m και βαλλιστικές δοκιμές αρχικά με την χρήση ενός εργαστηριακού βαλλιστικού σωλήνα με πεπιεσμένο αέρα και έπειτα, με πραγματικό όπλο σε πεδίο βολής. Τα αποτελέσματα των δοκιμών έδειξαν ότι η χρήση μέσου στατικής συγκράτησης βελτίωσε την βαλλιστική απόδοση των κεραμικών συστημάτων. Επίσης η ενίσχυση των κεραμικών με ανθρακούφασμα αύξησε την ικανότητα απόδοσης ενέργειας κρούσης για το ίδιο πάχος και πυκνότητα υλικού. Τέλος η περαιτέρω ενίσχυση των κεραμικών με σκόνη αλουμινίου και σκωρίας βελτίωσε την θωρακιστική τους αντοχή σε κρούσεις με βλήματα υψηλής ταχύτητας
description: The purpose of this thesis is the development of reinforced armouring structures based on ceramic composite materials and the assessment of their impact energy capability. Static and dynamic stress testing is utilised to evaluate the effect of monolithic carbon fibre reinforcements, epoxy resin agents, and aluminium or slug powders, on the performance of the overall ceramic structure. The main goal of this thesis is to determine the impact the various geometries and materials have on the amount of energy that can be absorbed. Three main categories of ceramic structures were manufactured. The first consists of monolithic, carbon fibre reinforced clay ceramics which were contained with epoxy resin and heated to temperatures of 950Ο C, 1025ο C and 1100Ο C. The second structures group is characterized by the further reinforcement of the first category materials, initially using aluminium and slug powders and then undergoing heating at 1000ο C. The final batch includes plain monolithic clay ceramics which were heated at 950οC, 1025οC and 1100οC. The first clay disc was fully enclosed in epoxy resin, the second was partially contained with epoxy resin applied on the bottom and side faces, and the third disc was totally free of resin. On all the setups the disc thickness was 12mm and the diameter was 70mm. To fully understand the behaviour of the manufactured ceramic structures static and dynamic stress tests were conducted. The static stress testing consisted of hardness trials and two dimensional bending experiments. The dynamic stress evaluation trials included drop tests where solid masses of 265g, 465g and 670g were released from heights of 1m, 1,75m and 2m. Moreover, ballistic trials were conducted initially using a laboratory pressurised ballistic tube and a handgun shooting at a range at a later stage. The results showed that the epoxy resin usage clearly improved the ballistic efficiency of the ceramic structures. Furthermore, the carbon fibre reinforcement increased the structures’ impact energy absorption capabilities while maintaining the same material thickness and density. Finally, it was evident that the employment of aluminium and slug powders augmented the samples’ ballistic performance during high speed ballistic impact testing.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)