TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN:XXX-XXX Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi 2008 (3) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Kısa Makale Balistik Yapılarda Balistik Performansa Etkiyen Parametrelerin Đncelenmesi Gizem KARAKAN Akdeniz Üniversitesi,Serik Meslek Yüksekokulu,Tekstil Programı,Antalya ÖZET Günümüzde yeni ve etkili silah tiplerinin gelişmesi ve kullanımının artması ve savaş yöntemlerindeki farklılaşmalar, daha yüksek bir koruma düzeyine sahip ve uzun süre giyilebilir esneklikte, kolay taşınabilir ve hareket özgürlüğü sağlayan nitelikteki balistik yapıların araştırılmasını sağlamıştır. Balistik yapıyı oluşturan hammaddelerin incelenmesi kadar temel mekanizmalara etkiyen parametrelerin de açıklanabilmesi bu araştırmaları genişletebilmek ve bir sonuca ulaşabilmek açısından önem teşkil eder. Bu parametrelerin her birinin etkisinin tek tek incelenmesi ya da birden fazla parametrenin birlikte oluşturdukları etkinin sonuçları, darbe esnasında absorbe edilen enerji miktarıyla yorumlanabilir. Bu yorum ise balistik performansın değerlendirilmesi açısından önemli ipuçları verecektir. Anahtar Kelimeler: Balistik yapı, Balistik Performans 1.BALĐSTĐK DARBE ESNASINDA GERÇEKLEŞEN ENERJĐ TRANSFERĐ Yüksek mukavemetli ve yüksek Young modüllü liflerin geliştirilmesiyle kurşun geçirmez kumaşlarda ve laminantlarda çok daha kolay bir ilerleme sağlanabilmiştir. Çarpma anında, iplik çarpma hızının büyüklüğüne bağlı olarak ani ve sert bir darbe görür. Kritik hız altında kalan ve düşük hız olarak adlandırılan çarpmalarda liflere uygulanan kuvvet onları koparmak için yetersiz kalır. Çarpmanın sonucunda eninde yönde sapmalar görülmesiyle, iplik uzaması ve enerjinin kumaş tarafından absorbe edilmesi olayı gerçekleşir. Mermi kumaşa çarptığında; kumaş tarafından merminin hızını azaltan bir kuvvet uygulanır. Aynı zamanda kumaşta da deformasyon meydana gelir. Darbe noktasından kumaş kenarlarına doğru gerinim dalgaları iplik boyunca yayılma gösterir. Darbe sistemi üzerine etkili olan herhangi bir dış kuvvet yoksa sistem içindeki enerji yutulacaktır. Mermi deformasyonu için harcanan enerji, lif molekülleri arasındaki sürtünme, hava sürtünmesi ve akustik kayıplar ihmal edildiğinde merminin kinetik enerjisindeki kayıp ( Epk); iplik gerinim enerjisi (Eys), iplik kinetik enerjisi (Eyk) ve sürtünmeli kaymada harcanan enerji (Ef) olmak üzere üç mekanizma tarafından yutulacaktır. Dolayısıyla kumaş ve mermi arasındaki enerji transferi şu eşitlikle karakterize edilebilir;(1) Epk = Eys + Eyk + Ef Merminin kinetik enerjisindeki kayıp ( Epk); balistik yapıyı oluşturan lif özellikleri, kumaş yapısı, katların birbiri ile etkileşimi, mermi geometrisi,mermi ve kumaş arasındaki sürtünme,iplikler arası sürtünme gibi bir çok parametre ile açıklanabilir.

2 Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) Balistik Yapılarda Balistik Performansa Etkiyen Parametrelerin Đncelenmesi 2. BALĐSTĐK PERFORMANSA ETKĐYEN PARAMETRELER Sürtünme: Sürtünme, balistik kumaşların darbe direncine doğrudan ve dolaylı olarak etki etmektedir. Delinmenin gerçekleşmediği bir sistemde iplik çekmeleri enerji yutumunda doğrudan etkili olmaktadır. Bununla birlikte yutulan enerji miktarında mermi-kumaş ve iplik-iplik sürtünmesi de büyük önem taşımaktadır. Önceki çalışmalara baktığımızda Lee ve arkadaşları tarafından ipliklerin yanal hareketinin reçine yutumuyla sınırlandırıldığını ve bu şekilde balistik performansın artırılabilineceğin deneysel olarak ortaya konulduğunu görmekteyiz. Sonuç olarak mermi ile kumaş arasındaki sürtünme ve iplik-iplik sürtünmesini artırarak ipliklerin hareketi kısıtlandığından, mermi iplikleri koparmaya zorlayacağı için yutulan enerji miktarı artmaktadır.bu şekilde sürtünme enerji yutumuna dolaylı olarak etki etmiş olmaktadır (1). Brisco ve arkadaşları tarafından yüzey aktif madde ilavesiyle farklı lif-iplik sürtünmesine sahip kumaşlar elde edilmiş ve balistik teste tabi tutulmuş, enerji yutumunun bir göstergesi olarak merminin kalan hızı ölçülmüş; sürtünmenin artmasıyla birlikte delinme için gerekli olan hızın arttığı ve kalan hız değerinin ise düştüğü ortaya çıkarılmıştır. Sürtünmesi daha fazla olan kumaşta daha yüksek enerji yutumu gerçekleşmektedir. Bazhenov tarafından suyun balistik performansa olan etkisi incelenmiştir. Islak numunelerde delinme meydana gelirken kuru numunelerde herhangi bir delinme meydana gelmemiştir. Islak numunelerde ipliklerde kopma gerçekleşmemiş olmasına rağmen ipliklerin yatay hareketi nedeniyle mermi kumaş içinden geçmiştir. Bu çalışmanın ışığı altında suyun mermi ile iplik arasındaki sürtünmeyi azaltan bir yüzey aktif madde gibi davrandığı ortaya konulmuştur. Duan ve arkadaşları sürtünme katsayısının artışıyla birlikte mermi çıkış hızının arttığını görmüşlerdir. Yaptıkları çalışmada sürtünme katsayısı µ= 0,5 iken merminin çıkış hızı 749 m/s; sürtünme katsayısı 0 olduğunda mermi 769 m/s lik bir çıkış hızına ulaşmaktadır. Yine aynı çalışmada balistik darbe esnasında mermi tarafından kumaşa transfer edilen enerjinin simülasyonu yapılmıştır. Şekil 1 de µ=0,5 için gerçeklesen enerji transferi gösterilmektedir. Bu şekildeki bütün enerjiler merminin maksimum hızındaki düşüşe göre normalize edilmişlerdir. Kumaşa etkiyen Merminin kinetik enerjisi; iplik gerinim enerjisi,iplik kinetik enerjisi ve sürtünmeli kaymada harcanan enerjinin toplamı olarak görülmektedir (1). Şekil 1. µ=0,5 için darbe esnasında kumaş ve mermi arasında gerçekleşen enerji transferi 52

3 Karakan, G. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) Aşağıdaki şekil ise µ=0 için çizilmiş olan enerji yutma mekanizmasını göstermekte olup; sürtünme olmadığı için merminin kinetik enerjisi iplik uzama enerjisi ve iplik kinetik enerjisi tarafından yutulmaktadır. Đplik gerinim enerjisi temel mekanizma olup; 11,8µs de çoğu lifin koptuğu noktada %82 oranında enerji yutumunu gerçekleştirmektedir. Bu noktada iplik kinetik enerjisinin yuttuğu enerji miktarı %16 dır. Yani iplik kopuşlarından önce enerjinin %98 i yutulmaktadır. Kalan %2 lik kısım delinmenin olduğu 11,7 ile 12,5 µs zaman diliminde gerçekleşmektedir. iplik kopuşlarıyla birlikte iplik gerinim enerjisi düşmekte iken iplik kinetik enerjisinde artış gözlenmektedir. Şekil 2. µ=0 için darbe esnasında kumaş ve mermi arasında gerçekleşen enerji transferi Aşağıdaki şekilde her iki durum için kıyas yapılmıştır. Şekilden de gözüktüğü üzere sürtünmeli kaymada harcanan enerji iplik kopuşlarının olmadığı kısımda toplam enerji yutumuna çok az katkı sağlamaktadır. Fakat bununla birlikte, hem iplik gerinim enerjisi hem de iplik kinetik enerjisi sürtünmenin artısıyla birlikte artış göstermektedir. Bu nedenle sürtünmenin enerji yutumuna olan katkısı sadece sürtünmeli kaymada harcanan enerji olarak değil iplik gerinim enerjisinin ve iplik kinetik enerjisinin artışı olarak da ele alınmalıdır. 53

4 Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) Balistik Yapılarda Balistik Performansa Etkiyen Parametrelerin Đncelenmesi Şekil 3. Farklı sürtünme şartları altında gerçeklesen enerji transferlerinin kıyaslanışı Malzeme Özellikleri: Balistik korunmada lifin enerji sönümleme yeteneği çok önemlidir. Zırhın sönümlediği enerji merminin zırhı delmek için harcadığı enerjiye eşittir. Merminin zırhı delip geçtiği durumlarda sönümlenen enerji miktarı, merminin çarpma enerjisinden zırhı delip geçtiği an sahip olduğu enerji çıkartılarak bulunur. Balistik limitin altındaki çarpmalar için ise merminin çarpma enerjisi doğrudan zırhın sönümlediği enerjiye eşittir (2). Çarpma olduğu zaman, iplik çarpma hızının büyüklüğüne bağlı olarak ani ve sert bir darbe görür. Darbeyle birlikte, büyük bir kısmı darbe hızına bağlı olarak ipliklerde ani bir gerginlik artışı yaşanmaktadır. Kritik hızın altındaki düşük hızlarda bu başlangıç gerginlik artışı iplikleri koparacak yetkinlikte olmadığı için enine yönde eğilme meydana gelmekte ve iplikler uzayarak enerji yutulmaktadır. Yani yüksek çekme mukavemetine ve yüksek kopma gerilimine sahip olan lif takımları daha fazla enerji yutumu yapabilmektedirler (1). Mermi balistik yapıya vurduğu anda liflerde uzunlamasına ve enine yönde gerilim dalgalarına sebep olur. Boyuna yönde oluşan gerilim dalgalarının hızını aşağıdaki şekilde tanımlamak uygundur (2). c = ( E / ρ)½ c : Boyuna yönde gerilimin dalga hızı E : Lifin elastiklik modülü ρ : Đpliğin yoğunluğu Boyuna yönde dalga hızı ne kadar yüksek olursa merminin çarpma enerjisi o kadar hızlı yayılır. Ayrıca yapı içindeki ipliklerin birbirleriyle bağlantıları sonucu, oluşan dalga diğer ipliklere iletilir. Burada lifin elastiklik modülü ne kadar yüksek olursa, oluşacak deformasyonun dağılması, yayılması o kadar hızlı olmaktadır. Yani yapının enerji absorbe yeteneği lifin Young modülü ile doğru orantılıdır (2). Çekme mukavemetinin, modülün ve kopma gerilmesinin kumaşın balistik performansında etkisini tek başına düşünemeyiz. Eğer balistik performans sadece ipliğin tokluğuna bağlı olsaydı, naylonun kevlara göre daha iyi bir performans göstermesi gerekirdi. Cunniff tarafından özgül lif tokluğunu lif gerinim dalga hızıyla çarparak balistik performansı etkileyen bütün lif özelliklerine bağlı olan bir katsayı 54

5 Karakan, G. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) türetilmis (u ) ve balistik performansın bütün bu özelliklere bağlı olduğu ancak yalnızca bu özellikler göz önüne alınarak değerlendirilemeyeceği ortaya konmuştur (1). uº=(σ*ε/2ρ)*(e/ρ)½ σ: lifin maksimum çekme mukavemeti ε :lifin maksimum gerinim değeri Kumaş Yapısının Balistik Performansa Etkisi Polimer esaslı malzemelerden elde edilen kumaş veya benzeri yapılardan elde edilen kompozit yapıların balistik koruyucu özelliği kullanılan lifin özelliklerine ve liften elde edilen yapının konstrüksiyonuna göre değişiklikler göstermektedir. Balistik korumada lifler dokuma kumaş olarak veya non-woven yapılar olarak kullanılırlar. Dokuma sırasında lif çeşitli gerilme ve sürtünmelere maruz kalmaktadır. Bu etkileşmeler sırasında lif yapısında mikro kırılmalar olmaktadır. Örneğin, Kevlar liflerinde bu mikro kırılmalar ne kadar fazla ise UV ışınlarından etkilenme ve sonuç olarak mukavemetindeki düşmeler o kadar fazla olmaktadır. Görüldüğü gibi kumaşın balistik direnci lif özelliklerinin elde edilen kumaşa ne oranda geçtiği ile yakından ilişkilidir.(2) Düşük elastisite modüllü ipliklerde dokuma yada çözgü işlemi sırasında meydana gelen iplik iplik gerilim farklılıkları uzayabilme nedeniyle giderilebilmektedir. Ancak öyle bir mekanizma yüksek modüllü ipliklerde hemen hemen yoktur (3). Yapılan çalışmalarda gevşek dokunmuş kumaşların ve dengesiz dokunmuş kumaşların balistik performansı düşürdüğü gözlenmiştir. Balistik koruyucu yapılarda genellikle düz dokuma veya basket dokuma kullanılmaktadır. Gevşek dokunmuş yapılarda mermi enerjisi kumaşa geçmekte, iplikler birbiri üzerinde itilmekte ve iplikler arasında boşluk açılarak mermi oraya yerleşmektedir. Eğer bir mermi küçük ve/veya çarpma belli bir açıyla geliyorsa ve/veya merminin önündeki birkaç iplik kopuksa mermi, iplikleri koparmak yerine onları kenarlara iterek bir delik oluşturur ve iplikler arasına girer. Bu olay Montgomery, Kirkland, Shim tarafından yapılan çalışmalarda kanıtlanmıştır (2). Balistik performansı etkileyen kumaş özelliklerden biri de kıvrımdır. Kıvrım; ipliklerin dokunmuş kumaş yapısındaki konumlanmalarından kaynaklanan dalgalanmadır. Bez ayağı bir örgüde, kıvrım derecesi dengelenmemiştir (çözgü ipliklerinin kıvrımı atkı ipliklerine göre daha fazladır). Chitrangad yüksek kopma uzamasına sahip olan atkı ipliklerini kullanmayı tavsiye etmiştir. Çünkü atkı iplikleri daha az kıvrıma sahip oldukları için çözgü ipliklerine göre daha önce kopuşa uğramaktadırlar. Çözgü iplikleri sahip oldukları yüksek kıvrımın açılması için zamana ihtiyaç duymaktadırlar. Deneysel olarak yapılan çalışmalarda daha yüksek kopma uzamasına sahip olan atkı ipliklerinin balistik performansının arttığını ispatlamıştır (1). Balistik uygulamalarda kullanılacak olan kumaşların örtme faktörünün 0,6 ile 0,95 arasında olması gerekmektedir. 0,95 den daha büyük örtme faktörü dokuma prosesiyle elde etmek mümkün olmamakta iken 0,6 dan daha küçük örtme faktöründe kumaş çok gevşek bir yapıya sahip olacağı için mermi iplikleri koparmak yerine onları sağa sola yanal harekete zorlayarak delinme gerçekleştirmektedir (1). 55

6 Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) Balistik Yapılarda Balistik Performansa Etkiyen Parametrelerin Đncelenmesi Şekil 4. Darbe altında kumaş görünüşü (3) Mermi Geometrisi: Gelişen teknoloji ile beraber değişik silahlar için hız, şekil, çekirdek yapısı gibi özellikleri birbirinden çok farklı, değişik amaçlara hizmet eden birçok mermi türü geliştirilmiştir. Tasarım esnasında balistik koruyucu malzemenin özelliklerini bilmek kadar, tehlike arz eden mühimmatın özelliklerini bilmek de gereklidir. Göz önünde bulundurulması gereken başlıca mermi özellikleri şunlardır: 1.Mermi çekirdeğinin sertliği 2.Merminin ucunun sivri(delme etkisi) veya küt(çöküntü yapma etkisi) oluşu 3.Çekirdek ağırlığı 4.Mermi hızı 5.Ateşlendiği namlu uzunluğu Mermi geometrisi, kumaş delinmesine etki eden en temel unsurların başında gelmektedir.. Montgomery ve arkadaşları 0.22 kalibre dört farklı geometride mermi ile bir, iki ve üç katlı Kevlar kumaşların balistik performansını incelemiştir. Araştırmalar yuvarlak uçlu mermilerin delik oluşturma kabiliyetinin iyi olduğunu ve yuvarlak uçlu mermilerin kör uçlu mermiler kadar hızlı durdurulamadığını göstermektedir. Tan ve arkadaşları, tek katlı düz dokuma Twaron kumaşı düz, yarımküre (yuvarlak), oval ve konik mermilerin delmesini incelemişler, kumaşın buruşma ve delinme mekanizmasının mermi mekanizması ile yakından ilgili olduğunu bulmuşlardır. Oval ve konik uçlu mermilerin kumaşı delmesi en düşük hızlarda olmaktadır, bu mermiler kumaş üzerinden kolaylıkla kaymaktadır. En düşük V50 değeri 58 m/sn ve 76 m/sn ölçülmüştür. Düz uçlu mermilerin V50 değeri 100m/sn ve yuvarlak uçlu mermilerin V50 değeri 159 m/sn bulunmuştur (1). 56

7 Karakan, G. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) Şekil 5 Farklı mermi geometrileri (5) Çarpma Hızı: Merminin çarpma hızının kumaşın ve laminant yapının balistik performansını etkileyeceği kesindir. Yüksek hızlardaki ve keskin kenarlı mermiler yapıyı esnetip uzatarak delmek yerine keserek delme eğilimindedirler. Düşük çarpma hızlarında iplikler çarpmanın etkisiyle delinmez, enine yönde uzama kenarlardan yavaş yavaş ilerler. Bu da daha çok enerjinin absorbe edilmesini sağlar. Düşük çarpma hızlarında koruyucu yapı geniş bir alanda buruşmaya ve gerilmeye uğrar, bu enerjinin dağıtılmasına yardımcı olur. Yüksek hızlı çarpmalarda hasar bölgeseldir ve iplikler yeterli derecede enine yönde uzamadan delinme gerçekleşir. Yüksek hızlarda sivri uçtan küt uca gittikçe merminin yavaşlatılması daha kolay olmaktadır. Küt uçlu mermiler vurma esnasında daha fazla iplik ile temas etmekte ve dolayısıyla enerji daha çabuk yayılmaktadır. Sivri uçlu ve konik uçlu mermiler ise kumaşın içinden daha az iplikle temas ederek sıyrılacağından absorbe edilen enerjinin miktarı daha az olacaktır (1). Kevlar ve yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (UHMWPE) ile yapılan deneylerde yüksek hızlardaki çarpmanın ipliği makas gibi kestiği görülmüştür. Ayrıca UHMWPE nin eridiği gözlenmiştir. Liflerin kesilmesi şeklinde delinme ve küçük miktarlarda erime PBO liflerinden oluşan kumaşlarda da görülmüştür (1). Kumaşların Çok Katlı Kullanılmasının Balistik Korunmaya Etkisi: Kompozit bir yapının yüksek hızlardaki çarpmalara gösterdiği direnç lifin elastiklik modülü, kırılma uzaması gibi lif özellikleri ile lifin bu kompozit yapı içerisindeki kullanım şekline ve kompozitin alansal yoğunluğuna bağlıdır. Katlı yapıların ciddi tehlike tipleri için geliştirildiği ve bu yapıların temelde lif tipi, reçine tipi, doku konstrüksiyonu, kat sayısı, iplik yönü ile kesişmeleri ve iplik setleri ile yoğunluğu gibi parametrelere bağlı olarak değerlendirilmesi gerekmektedir. Vurmanın katlı yapılara etkisi katı ve esnek tiplerine bağlı olarak değişmekte, katlı yapılar için katlar arası açılmanın bozulma modu olduğu ve bunun enerjinin dağıtılması açısından olumlu ancak yapının dayanımı açısından negatif olarak etkilediği iddia edilmiştir. Katlı yapıların ağırlığı ve konforunun da tehlike tipine bağlı olarak göz önüne alınması gerekir (6). 3.SONUÇLAR Balistik Performansa Etkiyen Parametrelerin incelenmesinde kullanılan balistik yapıların bir çoğu dokuma esaslıdır.oysa günümüz teknolojisinde üretilen Balistik tekstil malzemelerinde dokusuz yüzey yapıları da önemli bir yer tutar.bu açıdan dokusuz yüzey yapılarının da balistik performansını arttırma yönünde yapılan çalışmalar arttırılmalıdır.özellikle nano parçaçıklı dispersiyonlarla kaplı dokusuz yüzey malzemelerinde enerji absorblamasının artacağı ve Balistik Performansı etkileyecek önemli parametreler arasında yer alacağı düşünülmektedir. 57

8 Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) Balistik Yapılarda Balistik Performansa Etkiyen Parametrelerin Đncelenmesi KAYNAKLAR 1. Çerkez, Đ., 2007, Kolloidal Silika Dispersiyonunun Polietilen Kumaşların Balistik Performansına Etkisi, Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi. 2. Temiz, S., 2005, Balistik Kumaş ve Test Yöntemleri Üzerine Bir Araştırma, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü, Yüksek lisans tezi. 3. Cheeseman, B. A., Bogetti, T. A., 2003, Balistic _mpact _nto Fabric And Compliant Composite Laminates Composite Structure 61,s: Turhan,Y., 1999, Balistik Kumaşların Dizaynı ve Bilgisayar Uygulamaları, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Tan, V. B. C., Tay, T. E., Teo, W. K.,2005, Strenghtening fabric armour with silica colloidal suspensions, International Journal of Solids and Structures, Volume 42, Issue 5-6, s Bilişik, A. K., 1997, Balistik kumaşlarda yapı özellik ilişkileri,tekstil ve Konfeksiyon,4,s