Zırh üretiminde kullanılan kompozit malzemelerin üretim yöntemleri ve mekanik verimliliğinin incelenmesi
Investigation of production methods and mechanical efficiency of composite materials used in armor construction
Yazar: MUSTAFA TOMBUL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN KAZAN
Amasya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Cam elyaf kompozitler = Glass fiber composites ; Lifli kompozitler = Fiber composites ; Meta-aramid = Meta-aramid ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Seramik kompozit zırhlar = Ceramic composite armors ; Tabakalı kompozit levhalar = Laminated composite plates ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites ; İç balistik = Interior ballistics

Özet:
Savunma sektörünün önemli branşlarından kişisel balistik koruyucuların yapımında kullanılan malzemelerin mukavemet değerleri yüksek, esnek ve yoğunluğu düşük malzemelerden seçilmesi, birçok ar-ge çalışmasında ve akademik çalışmada vurgulanmaktadır. Bu özellikler göz önüne alındığında kompozit malzemeler, zırh yapımında oldukça yaygın kullanılan malzemeler arasında önemli yer tutmaktadır.
Kompozit malzemeler kullanılarak tasarlanan ve üretilen Bomba Uzmanı Elbiseleri, Bomba Uzmanlarını asimetrik savaşlarda, operasyonlarda ve şüpheli paket müdahalelerinde patlamanın etkilerinden koruyan kişisel balistik koruyuculardandır. Bu elbiselerin, Bomba Uzmanının fiziksel hareketlerini, termal ve mental durumlarını ve çalışma performansını minimum seviyede etkileyecek şekilde hafif, esnek ve koruyucu özellikleri yüksek özellikte olması gerektiği, sahada aktif çalışan Bomba Uzmanlarının görüşleri, literatür araştırmaları ve üretici firma testleri neticesinde anlaşılmıştır.
Bu çalışmada, zırh yapımında kullanılan kompozit malzemelerden, fiber takviyeli kompozit malzemelerden Aramid fiber, Cam fiber ve Karbon fiber'in balistik uygulamalarda kullanılabilir olduğu ve Bomba Uzmanı Elbisesinde kullanılabilecek özelliklere sahip oldukları yapılan araştırmalar neticesinde anlaşılmıştır.
Malzemelerin balistik uygulamalardaki performansının ve gelişiminin, teorik bilgiler olmasının yanı sıra deneysel çalışmaların ışığında incelenmesi ve netice olarak günümüz balistik uygulamalarına uygun amaca yönelik ihtiyaç duyulan bir malzemenin tasarlanması amacıyla Emniyet Genel Müdürlüğü Kriminal Daire Başkanlığı Bomba İmha ve İnceleme Şube Müdürlüğü tarafından kullanılmış ve emekliye ayrılmış, Kanada menşeili Med-Eng Firması tarafından üretilen EOD 9 model Bomba Uzmanı Elbisesi temin edilerek, tasarım ve malzeme yapısı fiziksel olarak incelenmiştir.
vi
Yapılan incelemeler neticesinde EOD 9 Bomba Uzmanı Elbisesi ısıya dayanıklı kumaş kılıfların içerisinde 22 adet, 0,25 mm kalınlığında, plain dokuma, Kevlar marka Aramid fiber malzemeler ile balistik özellik sağlandığı gözlenmiştir. Ceket, entegre kasık koruyucu, sırt koruyuculu pantolon, balistik kask ve vizör gibi ana parçalardan oluşan medium beden EOD 9 model elbise soğutucu ekipmanlar, KBRN ekipmanları ve havalandırma ünitesi gibi diğer ekipmanlar ile yaklaşık 40 kg ağırlığındadır. Bu nedenle mevcut mukavemet özelliklerinin korunarak veya iyileştirilerek elbisenin esnek hale getirilip hafifletilmesi amacıyla matris malzeme olarak epoksi reçine, fiber takviye elemanı olarak ise aynı kalınlıklarda altışar edet aramid fiber (plain dokuma, 245 gr/m2), cam fiber (plain dokuma, 200 gr/m2) malzemeler kullanılarak vakum infüzyon yöntemi ile ve prepreg karbon fiber (twill dokuma, 245 gr/m2) malzeme ile altı adet farklı dizilişlere sahip deney numuneleri üretilmiştir. Ayrıca bu malzemelerden çekme ve basma numuneleri üretilerek mekanik testleri yapılmıştır.
Üretilen numuneler balistik ışığında ve NIJ (The US National Institute of Justice - Ulusal Adalet Enstitüsü) standartları doğrultusunda 9*19 mm fişek ile 5 metre mesafeden tabanca atışı yapılarak balistik uygunlukları test edilmiştir.
Ek olarak Bomba Uzmanı Elbisesinin pantolon kısmında diz ile bilek arasındaki bölüm, parça tesirli, 100 gram C-4 plastik patlayıcı ile 1 metre mesafede patlamaya maruz bırakılmış ve pantolon üzerindeki patlamanın etkileri incelenmiştir.
Ayrıca numunelerin mekanik verileri ışığında Solidworks programı ile katı modellemeleri çizilerek ANSYS analiz programı ile balistik testlerdeki katman kombinasyonlarına göre sonlu elemanlar yöntemi ile similasyon testleri yapılarak EOD 9 model Bomba Uzmanı Elbisesinde kullanılan aramid fiber malzemeye karşın aramid fiber, cam fiber ve karbon fiber katmanlı kompozitlerin birbirine göre olumlu ve olumsuz değerlendirmeleri yapılmıştır.

Abstract:
It is emphasized in many R&D studies and academic studies that the materials used in the construction of personal ballistic protectors, one of the important branches of the defense industry, are selected from materials with high strength values, flexibility and low density. Considering these features, composite materials have an important place among the materials widely used in armor construction.
Bomb Expert Suits, designed and produced using composite systems, are personal ballistic protectors that protect Bomb Experts from the effects of explosions in asymmetric warfare, operations and suspicious package intercepts. This suit must be flexible and have high protective properties that can easily change the Bomb Specialist's physical movements, thermal and mental states and working skills to a minimum level. It has been understood that the results of the studies of Bomb Experts actively working in the field, literature research and manufacturer companies have emerged.
In this study, it was understood as a result of the research that Aramid fiber, Glass fiber and Carbon fiber, which are fiber reinforced composite materials used in armor making, can be used in ballistic applications and have properties that can be used in Bomb Expert Suit.
It is aimed to examine the performance and development of materials in ballistic applications in the light of experimental studies as well as theoretical information, and as a result, to produce a needed material suitable for today's ballistic conditions.
For this reason, the EOD 9 model Bomb Expert Suit, produced by the Canadian Med-Eng Company, used by the Bomb Disposal and Investigation Branch of the Criminal Department of the General Directorate of Security, was procured and its design and material structure were physically examined.
viii
As a result of the examinations, it was observed that the EOD 9 Bomb Specialist Suit provides ballistic properties with 22 pieces of 0.25 mm thick, plain woven, Kevlar brand Aramid fiber materials in heat-resistant fabric covers. The medium size EOD 9 model suit, consisting of main parts such as jacket, integrated crotch protector, trousers with back protector, ballistic helmet and visor, weighs approximately 40 kg with other equipment such as cooling equipment, CBRN equipment and ventilation unit. For this reason, in order to make the dress flexible and lighten by preserving or improving the existing strength properties, epoxy resin is used as matrix material, and six pieces of aramid fiber (plain woven, 245 g/m2) and glass fiber (plain woven, 200 g/m2) of the same thickness are used as fiber reinforcement elements. Six test samples with different alignments were produced by vacuum infusion method using materials (m2) and prepreg carbon fiber (twill woven, 245 gr/m2) material. Additionally, tensile and compression samples were produced from these materials and mechanical tests were performed.
The produced samples were tested for their ballistic suitability by firing a pistol from a distance of 5 meters with a 9*19 mm cartridge under ballistic conditions and in line with NIJ (The US National Institute of Justice) standards.
In addition, the part between the knee and the wrist of the trousers of the Bomb Specialist Suit was exposed to an explosion with 100 grams of C-4 plastic explosive with fragmentation effect at a distance of 1 meter, and the effects of the explosion on the trousers were examined.