T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ÜÇ FAZLI ELYAF TABAKALI KARMA KOMPOZİT YAPININ BALİSTİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ÜÇ FAZLI ELYAF TABAKALI KARMA KOMPOZİT YAPININ BALİSTİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Hakan YILMAZ Danışman: Doç. Dr. Fevzi BEDİR DOKTORA TEZİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ISPARTA

2

3 İÇİNDEKİLER Sayfa İÇİNDEKİLER... i ÖZET... iii ABSTRACT... iv TEŞEKKÜR... v ŞEKİLLER DİZİNİ... vi ÇİZELGELER DİZİNİ... xi SİMGELER DİZİNİ... xiii 1. GİRİŞ KAYNAK ÖZETLERİ Polimer Matrisli Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemeler Kompozit yapı mukavemeti Takviye malzemeleri Dokuma yapılar Dokuma olmayan yapılar Takviye malzemesi çeşitleri Cam elyaflar Para - aramid elyaflar Yüksek moleküler ağırlıklı polietilen Matris malzemeleri Termoset reçineler Termoplastik reçineler Polimer Matrisli Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemelerde Balistik Darbe Balistik performansa etkiyen parametreler Hedefin malzeme özellikleri ve yapısı Merminin özellikleri ve yapısı Yüksek hızlı darbenin oluşumu Balistik darbe esnasında gerçekleşen enerji transferi Polimer matrisli - elyaf takviyeli bir yapıda enerji dengesi i

4 Tabakalı bir yapıda gerçekleşen enerji transferi Kompozit plaka arka yüzeyinde çöküntü miktarı Balistik darbe sonucu oluşan hasar şekilleri MATERYAL VE YÖNTEM Kompozit Numunelerinin Üretimi Kompozit Numunelerinin Konfigürasyonu E cam / Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler E cam / SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler E cam/kevlar 129/SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler E cam / SB21 / Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler SB21 numunesi Kevlar 129 numunesi Balistik Test Düzeneği Balistik Dayanım Değerlendirmesinde Kullanılan Kriterler Balistik koruyucu ölçüm standardı ARAŞTIRMA BULGULARI E cam / Kevlar129 Elyaf Tabakalı Epoksi Reçine Matrisli Numuneler E cam / SB21 Elyaf Tabakalı Epoksi Reçine Matrisli Numuneler E cam/kevlar129/sb21 Elyaf Tabakalı Epoksi Reçine Matrisli Numuneler E cam/sb21/kevlar129 Elyaf Tabakalı Epoksi Reçine Matrisli Numuneler SB21 Elyaf Numunesi Kevlar 129 Numunesi Deney Sonuçlarının Genel Değerlendirilmesi SONUÇLAR VE TARTIŞMA KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ ii

5 ÖZET Doktora Tezi ÜÇ FAZLI ELYAF TABAKALI KARMA KOMPOZİT YAPININ BALİSTİK ÖZELLİKLERİN İNCELENMESİ Hakan YILMAZ Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bölümleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı Danışman: Doç. Dr. Fevzi BEDİR Bu tez çalışmasında, hafif silahlara karşı zırh yapımında kullanılan polimer matrisli, tabakalı ve elyaf takviyeli kompozit malzemelerin balistik özellikleri deneysel olarak araştırılmıştır. Yüksek hızlı darbe esnasında balistik yapıyı etkileyen temel mekanizmaların karmaşık olması nedeniyle bu mekanizmaların tek tek veya birlikte incelenmesi zorluklar göstermektedir. Bu nedenle bahse konu mekanizmaların etkilerinin araştırılması, yüksek hızlı darbe esnasında absorbe edilen enerji miktarıyla yorumlanabilir. Bu yorum ise balistik performansın değerlendirilmesidir. Bu çalışmada SB21 polietilen fiber malzeme ile düzlem dokumalı E cam ve Kevlar 129 elyaflardan çok fazlı, tabakalı ve epoksi reçine matrisli olarak el yatırma yöntemiyle üretilen levhaların balistik testleri yapılmıştır. Balistik testlerde mermi hızları ve darbe çöküntü değerleri ölçülmüştür. Yapılan deneylerde 2 ve 3 farklı malzeme cinsinden oluşan epoksi matrisli yapının farklı konfigürasyonlardaki balistik özelliklerinin incelenmesi hedeflenmiş, 3 fazlı sistemlerin Kevlar 129 tarafından yapılan atışlarda SB21 tarafından yapılan atışlara göre daha fazla enerji absorbe ettiği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Ballistik performans, yüksek hızlı darbe, polimer matrisli kompozit, kompozit zırh, 2012, 168 sayfa iii

6 ABSTRACT Ph.D. Thesis INVESTIGATION OF BALLISTIC PROPERTIES OF THREE PHASED FIBER HYBRID COMPOSITE STRUCTURE Hakan YILMAZ Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences Department of Mechanical Engineering Supervisor: Doç. Dr. Fevzi BEDİR In this thesis, ballistic properties of polymer matriced and layered fiber reinforced composite materials used in producing armour against small arms are experimentaly investigated. The basic mechanisms that are affecting an armor structure during high speed impact are very complicated. Each of these mechanisms with the effect of single or multi-parameter analysis is not possible. Effect of these mechanisims can be interpreted with energy absorbed during high speed impact. This review was to evaluate the ballistic performance. In this context, the ballistic study of armour plates manufactured by hand lay up method, by layered with multi phased of cross-plied polyethylene material SB21 and plane waved Kevlar 129 and E glass materials. Projectile velocities and back face signatures are measured by ballistic tests. It is aimed to investigate the ballistic properties of the samples that are 2 and 3 phased manufactured with different ballistic materials in different configuration. It is observed that shooting through the Kevlar 129 side caused to more energy absorbtion of the 3 phased systems respect to SB21 side. Keywords: Ballistic performance, high velocity impact, polymer matrix composite, composite armour, 2012, 168 pages iv

7 TEŞEKKÜR Bu proje ve tez çalışmamın yapılmasında her türlü yardımlarını esirgemeyen, çalışmalarımda bana daima destek olan, yol gösteren engin bilgi ve tecrübelerinden yararlandığım değerli danışmanım Doç. Dr. Fevzi BEDİR hocama saygı ve teşekkürlerimi sunarım D-11 No lu Proje ile tezimi maddi olarak destekleyen Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi Başkanlığı na teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca çalışmalarım için bana manen destek olarak bugünlere gelmemde emeği geçen eşim Arzu YILMAZ a teşekkürlerimi sunarım. Hakan YILMAZ Isparta, 2012 v

8 ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 1.1. Kompozit malzeme çeşitleri şeması... 2 Şekil 2.2. Fiber, matris fazları ve kompozit yapının çekme gerilmesi birim şekil değiştirme grafiği Şekil 2.3. Elyaf eksenine dik doğrultuda yüklenen birim hacim eleman Şekil 2.4. Kompozit malzemelerin takviye elemanlarına göre sınıflandırılması Şekil 2.5. Lif temel boyutlandırması Şekil 2.6. Elyaf dokuma malzeme örnekleri Şekil boyutlu ve 3 boyutlu elyaf dokuma örnekleri Şekil 2.8. (a) 0 konumlu, (b) 0, ±45, 90 konumlu, dokuma olmayan fiber yapı Şekil 2.9. Elyaf ile matris arasındaki arabirim Şekil Primer ve sekonder lifler Şekil Bir lifin balistik darbeden önceki durumu (a) darbe altında enine-boyuna hareketi, (b-d) ve koni formasyonu Şekil Balistik darbe esnasında enine ve boyuna dalga hareketi Şekil Analitik olarak primer bir lifte meydana gelen boyuna yönde şekil değiştirme dalgası Şekil Balistik darbenin bir lif üzerinde şematik gösterimi Şekil Fibril akışı sonucu bir lifte meydana gelen öteleme hareketi Şekil Çeşitli balistik elyafların dalga hızı - enerji sönümleme indeksi Şekil Kompozit yapıda balistik darbe hasar şekilleri Şekil Tabakalı kompozit yapılarda hasar oluşumu - enerji sönümleme indeksi karşılaştırması (A) kesme gerilmesi, (B) fiber kopması, (C) delaminasyon Şekil Tabakalı kompozit bir yapıda (a) tabakalar arası boşluğun fazla, (b) tabakalar arası boşluğun ihmal edilebilir olduğu durumlarda balistik darbe Şekil 3.1. (a) Para aramid elyaf dokuma (Kevlar129), (b) yüksek yoğunluklu yumuşak polietilen pregreg (SB21), (c) Cam elyaf (E-cam) numuneleri Şekil 3.2. Kesilmiş E cam, Kevlar 129 ve SB21 tabakaları Şekil 3.3. Kalıplama işlemi hazırlığı Şekil 3.4. E BOSCH PCL10 Nivelman hizalama lazeri ile yarılma/delaminasyom ölçümü vi

9 Şekil 3.5. E cam / Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler Şekil 3.6. E cam / Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numunelerin yapı şeması Şekil 3.7. E cam / SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler Şekil 3.8. E cam / Kevlar 129/SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numunelerin yapı şeması Şekil 3.9. E cam / Kevlar 129/ SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler Şekil E cam /SB21/ Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numunelerin yapı şeması Şekil E cam / SB21/Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler Şekil E cam / SB21/Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numunelerin yapı şeması Şekil (a) (Kevlar 129) 40 numunesi ve (b) (SB21) 40 numunesi Şekil Atış test düzeneği şematik gösterimi Şekil Atış test düzeneği ve numune sabitleme aparatı fotoğrafları Şekil Hedef üzerindeki atış sıra ve konumları Şekil Balistik test esnasında insan tenini simüle eden ve hedef zırh ve arkasına yerleştirilen şartlandırılmış dolgu maddesi Şekil mm mermi Şekil Muhtelif balistik koruyucu malzeme resimleri Şekil 4.1. Atış testleri yapılan E cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10x2 kat) numunesi Şekil 4.2. Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil 4.3. Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil 4.4. Atış testleri yapılan E cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15x2 kat) numunesi Şekil 4.5. Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil 4.6. Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil 4.7. Atış testleri yapılan E cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20x2 kat) numunesi Şekil 4.8. Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil 4.9. Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil Atış testleri yapılan E cam (10x3 kat)/ SB21 (10x2 kat) numunesi Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği vii

10 Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil Atış testleri yapılan E cam (10x3 kat)/ SB21 (15x2 kat) numunesi Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil Atış testleri yapılan E cam (10x3 kat)/ SB21 (20x2 kat) numunesi Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil Atış testleri yapılan E cam (10x3 kat)/kevlar 129 (10 kat)/sb21 (10 kat) numunesi Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil (a), (b) C 1-1 numunesinde 1 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları Şekil (a), (b) C 1-1 numunesinde 2 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 1-1 numunesinde 3 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 1-1 numunesinde 4 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 1-1 numunesinde 5 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 1-1 numunesinde 6 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil Atış testleri yapılan E cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/sb21 (15 kat) numunesi Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil (a), (b) C 2-1 numunesinde 1 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 2-1 numunesinde 2 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 2-1 numunesinde 3 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 2-1 numunesinde 4 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 2-1 numunesinde 5 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 2-1 numunesinde 6 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil Atış testleri yapılan E cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat) numunesi Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil (a), (b) C 3-1 numunesinde 1 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri viii

11 Şekil (a), (b) C 3-1 numunesinde 2 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 3-1 numunesinde 3 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 3-1 numunesinde 4 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 3-1 numunesinde 5 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 3-1 numunesinde 6 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil Atış testleri yapılan E cam (10x3 kat)/ SB21 (10 kat)/ Kevlar 129 (10 kat) numunesi Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil (a), (b) C 1-2 numunesinde 1 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 1-2 numunesinde 2 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 1-2 numunesinde 3 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 1-2 numunesinde 4 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 1-2 numunesinde 5 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 1-2 numunesinde 6 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil Atış testleri yapılan E cam (10x3 kat)/ SB21 (15 kat)/ Kevlar 129 (15 kat) numunesi Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil C 2-2 numunesinde (a), (b) 1 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 2-2 numunesinde 2 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 2-2 numunesinde 3 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 2-2 numunesinde 4 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 2-2 numunesinde 5 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 2-2 numunesinde 6 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil Atış testleri yapılan E cam (10x3 kat)/ SB21 (20 kat)/ Kevlar 129 (20 kat) numunesi Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil (a), (b) C 3-2 numunesinde 1 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 3-2 numunesinde 2 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 3-2 numunesinde 3 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri ix

12 Şekil (a), (b) C 3-2 numunesinde 4 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 3-2 numunesinde 5 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil (a), (b) C 3-2 numunesinde 6 nolu atışa ait malzeme kesit resimleri Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil Atış testleri yapılan Kevlar 129 (40 kat) numunesi Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği x

13 ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 1.1. Balistik koruma amaçlı kullanılan çeşitli malzemelere ait elastisite modülü ve kopma mukavemeti değerleri... 3 Çizelge 2.1. Cam liflerinin mekanik özellikleri Çizelge 2.2. Aramid ve polietilen malzemelere ait fiziksel özellikler Çizelge.2.3. Matris malzemesi çeşitleri ve uygulama alanları Çizelge 2.4. Termoset ve termoplastik reçinelerin özellikleri Çizelge 2.5. Mermi ve hedef yönünden balistik performans parametreleri Çizelge 2.6. Çeşitli balistik koruyucu standartlar Çizelge mm Standart mermi özellikleri Çizelge 3.2. Çeşitli balistik koruyucu standartlar Çizelge 4.1. E cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10x2 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Çizelge 4.2. E cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15x2 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Çizelge 4.3. E cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20x2 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Çizelge 4.4. E cam (10x3 kat)/ SB21 (10x2 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Çizelge 4.5. E cam (10x3 kat)/ SB21 (15x2 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Çizelge 4.6. E cam (10x3 kat)/ SB21 (20x2 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Çizelge 4.7. E cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10 kat)/ SB21 (10 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Çizelge 4.8. E cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/ SB21 (15 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Çizelge 4.9. E cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat) numunesine yapılan xi

14 atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Çizelge E cam (10x3 kat)/ SB21 (10 kat)/ Kevlar 129 (10 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Çizelge E cam (10x3 kat)/ SB21 (15 kat)/ Kevlar 129 (15 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Çizelge E cam (10x3 kat)/ SB21 (20 kat)/ Kevlar 129 (20 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Çizelge Dikişle birleştirilmiş, reçinesiz ve 40 kat olan SB21 numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Çizelge Dikişle birleştirilmiş, reçinesiz ve 40 kat olan Kevlar 129 numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Çizelge 5.1. Malzeme konfigürasyonu, mermi hızları ve koruma durumu Çizelge 5.2 Ortak mermi hızlarına göre elde edilen deney sonuçları xii

15 SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ σ c σ ck σ f σ fk σ m σ fm V f V m E m E f ε ρ c u v θ γ m EK EY Ek Ep ES Ekf V50 UHMW-PE NIJ Kompozit malzeme Çekme Mukavemeti Kompozit malzeme Kopma Mukavemeti Fiber çekme gerilmesi Fiber kopma Gerilmesi Matris çekme gerilmesi Matris kopma Gerilmesi Fiber hacmi Matris hacmi Matris elastisite modülü Fiber elastisite modülü Boyuna elastik şekil değiştirme Fiber hacimsel yoğunluğu boyuna yönde şekil değiştirme dalgasının hızı enine dalga hızı Merminin darbe hızı Darbe hattı ile lif arasındaki açı koni taban açısı (çökme açısı) primer lif sayısı Merminin kütlesi mermi kinetik enerjisi Yapı ağırlığına göre enerji sönümleme miktarı merminin kinetik enerjisindeki kayıp Primer liflerin absorbe ettiği enerji sekonder liflerin deformasyonu sonucu absorbe edilen enerji koni formasyonu ile absorbe edilen enerji balistik limit hız ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen National Institute of Justice xiii

16 1. GİRİŞ Tanım olarak kompozit; dizayn amacına uygun olarak (ısıl, mekanik, fiziksel, vb.) istenilen bir veya birden fazla özelliği içeren bileşenlerin bir araya makro düzeyde getirilmesi ile oluşturulan, istenen özellikleri baskın, istenmeyen özelliklerin yok edilmesini sağlayan malzemelere verilen genel addır. Kompozit malzemeler mikroskobik açıdan heterojen bir malzeme özelliği göstermekte, ancak makroskobik açıdan homojen bir malzeme gibi davranmaktadır. Şekil 1.1. de metaller, organik malzemeler, camlar, seramikler, polimer ve elastomerler kompozit malzemelerin üretildikleri malzeme çeşitleri şemasında gösterilmektedir (Soy, 2009). Kompozit malzemeler, termal, akustik yalıtım ve mekanik özellikleri, yüksek mukavemet-ağırlık ve modül ağırlık oranları, yeterli korozyon dayanımı, tasarıma yatkınlıkları ve üretim tekniklerinin kolay uygulanabilirliğinden dolayı endüstriyel kullanım alanları kadar savunma maksatlı kullanımları da çok yaygındır. Bu kapsamda; mukayeseli balistik özelliklerinden dolayı, bireysel korunmada kullanılan zırhlar genellikle polimer matrisli kompozitlerden imal edilmektedir (Tarakçıoğlu vd., 2008). Balistik koruyucu sistemlerin teknolojik gelişimi; bireysel korunma maksatlı vücut zırhları ile başlayıp muharebe araçlarının v.b. balistik darbelere karşı zırhlandırılması ile devam eden geniş uygulama alanlarına sahiptir. Bireysel savunma amaçlı kullanılan zırhlar, hafif olması ve balistik özellikleri nedeni ile genellikle polimer matrisli tekstil kompozitlerden imal edilmektedir. Bu amaçla; farklı polimer zinciri ve yönlenmesi ile üretilen elyaflar da yüksek mukavemet ve modüle, düşük elastikiyete sahiptir. Bunların yanı sıra, karbon nanotüpleri ve örümcek ipeği liflerinin balistik korumaya yönelik yeni teknolojiler geliştirilmektedir (Chen, 2004). Merminin kinetik enerjisini kısa zamanda dağıtarak ve yayarak absorbe etmesi, delinmemesi ve atış sonrası darbe çöküntülerinin en az seviyede olması kurşun geçirmez bir yeleğin güvenirliğinin göstergesidir. Buna göre bir malzemenin balistik özelliğinin iyi olmasının şartı, belirli bir hıza sahip kurşun veya parçacığın kinetik 1

17 enerjisinin kişiye zarar vermeyecek şekilde sönümlemesini sağlamaktır. Ancak zırhların sadece delinmeye karşı tasarlanması yeterli olmayıp aynı zamanda arka yüzeyinde meydana gelen anlık deformasyonun da incelenmesi gereklidir. Bu hasar elastik ve plastik çöküntünün toplamına eşittir (Iannucci ve Pope, 2011). METALLER SERAMİKLER KOMPOZİT MALZEMELER ORGANİK MALZEMELER CAMLAR POLİMERLER ELASTOMERLER Şekil 1.1. Kompozit malzeme çeşitleri şeması (Soy, 2009) 1930 lu yıllarda bulunmasından sonra, moleküler seviyede eksenel oryantasyonlu, anizotropik doğaları gereği bu yöndeki elastik modül ve çekme mukavemetleri yüksek olan sentetik elyafların balistik koruyucu özelliği Kore savaşında anlaşılmış olup; geliştirilmeleri 1960 lı yılların sonlarına rastlamaktadır. Bu tarihlerde Dupont firması tarafından, ilk olarak PRD-49 olarak adlandırılan, genel olarak Kevlar ticari ismi ile bilinen aramid elyaf cinsinin ilki olan Kevlar 29 üretilmiştir. Seramik levhalarla üretilen hibrid kompozit sistemlerde Kevlar 29 un arka destek malzemesi olarak kullanılması özellikle piyade tüfeğine karşı balistik koruma sağlamıştır. Aynı 2

18 dönemde A.B.D. ordusunun laboratuarlarında balistik koruma amaçlı geliştirilen PBO (polybenzoxazole) isimli yüksek yoğunluklu polietilen fiber, 1980 li yılların başlarında Toyobo firması tarafından Zylon ticari ismi ile üretmiştir. Akzo firmasının Twaron, Teijin firmasının da Technora ticari isimli naylon esaslı aramid elyafları üretmesi bu gelişmeyi izlemiştir yılında üretim teknolojisindeki gelişmelere bağlı olarak Jel Eğirme adı verilen teknikle çekilen polietilenden ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen fiber (UHMW-PE), DSM firması tarafından Dyneema ismiyle ve Honeywell firması tarafından Spectra ticari ismiyle üretilmeye başlamıştır. Aynı dönemlerde Mitsui firması Tekmilon ticari ismiyle uzak doğuda benzer özellikte bir fiber üretmiştir lı yılların ortalarında yüksek basınçlı kalıplama yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntemle yüksek yoğunluklu polietilen fiberler kalıp içinde yüksek basınç altında birleştirilmiş, ilave bir seramik ön zırh yüzeyi gerekmeksizin yüksek balistik koruma seviyeleri elde edilmiştir. Balistik koruma amaçlı kullanılan çeşitli malzemelere ait elastisite modülü ve kopma mukavemeti değerleri Çizelge 1.1. de verilmiştir (Bhatnagar, 2006). Çizelge 1.1. Balistik koruma amaçlı kullanılan çeşitli malzemelere ait elastisite modülü ve kopma mukavemeti değerleri Malzeme Elastisite Modülü Kopma Mukavemeti (GPa) (MPa) Alüminyum Çelik Cam lifi Karbon fiber Aramid fiber UHMW-PE PBO

19 2. KAYNAK ÖZETLERİ Bireysel savunma maksatlı üretilen kompozit yapıların farklı konfigürasyonlarının terminal balistik olarak; mermi veya parçacığın kinetik enerjisinin sönümlenmesine ilaveten, hedefin arka yüzeyinde balistik darbe etkisiyle meydana gelen elastik ve plastik çöküntünün incelenmesi önemli bir araştırma sahasıdır. Yüksek hızlı balistik darbelere karşı yapılmış olan çalışmalardan bazıları aşağıda özetlenmiştir: Mines vd. (1999), aynı ağırlıkta ve üç farklı geometride vurucu uç kullanarak, üç farklı tabaka sayısındaki polyester reçine matrisli ±45 elyaf dokuma E-cam numunelerin perforasyon esnasında meydana gelen hasar mekanizmalarını ve enerji sönümleme kapasitelerini araştırmıştır. Yaptıkları deneylerde geniş uç geometrisinin ve yüksek tabaka sayısının absorbe edilen enerji miktarını arttırdığı görülmüştür. Gellert vd. (2000), aynı çapta ve üç farlı geometrideki çelik vurucu uçlarla, üç farklı sayıda E-cam elyaf dokuma tabakadan oluşan vinylester reçine matrisli farklı kalınlıklardaki kompozit levhalara 520 m/sn kadar olan hızlarda atışlar yaparak malzeme kalınlığının ve vurucu uç geometrisinin balistik etkilerini incelemiştir. Yaptıkları çalışmada artan malzeme kalınlığı ile absorbe edilen enerji miktarının arttığı ancak kullanmış oldukları çelik vurucu uçların geometrisinin levhaların absorbe ettiği enerji miktarını etkilemediği gözlemlenmiştir. Walker (2001), çalışmasında reçine miktarının Kevlar 29 elyaf dokumanın balistik performansını nasıl etkilediğini incelemiştir. İzafi olarak yoğunluğu düşük olan elyaf yapıda kütlesel azalma ve buna bağlı olarak çekme mukavemetinde olan azalmaya karşılık alansal yoğunluğu reçine ilavesi ile arttırılan sistemin aynı veya daha yüksek balistik limit sağladığını görmüştür. Wagner vd. (2003), silika partikülleri içeren kesici yoğun sıvı akışkanın (STF) Kevlar 49 elyaf dokumaya emdirilmesi ile oluşan kompozit yapının balistik performansını incelemiştir. Yaptıkları deneylerde 244 m/sn mermi hızında malzeme olumlu balistik dayanım göstermiş, kesici yoğun sıvı akışkanın emdirilmesi ile 4

20 kumaş malzemesinin esnekliğinden hiçbir şey kaybetmediği ve balistik direnç seviyesinde önemli bir artırma olduğunu gözlemlemiştir. Lim vd. (2003), elyaf dokuma tabakalı bir yapının hem sonlu elemanlar modelini üç boyutlu DYNA 3D programıyla oluşturmuş ve hem de farklı mermi hızları için yaptıkları deney sonuçlarıyla oluşturdukları modeli karşılaştırmıştır. Mermi hızının artmasıyla absorbe edilen enerji miktarının da arttığını gözlemlemiştir. Ceyhun ve Turan (2003), tabakalı kompozit malzemelerin düşük ve yüksek hızlı darbelere karşı göstermiş olduğu davranış kapsamında hasar türü ve darbe enerjisinin önemini açıklamıştır. Bu kapsamda enerjisi düşük olan darbelerin (1-5J) çarpma hızının 1-10 m/s arasında değiştiği, oluşan hasar bakımından matris kırılması, delaminasyon oluşumu ve fiber kopmalarının düşük hızlı darbelerde görüldüğü, yüksek hızdaki darbeler ise çarpan cismin kompozit malzemeye tamamen nüfuziyetinin söz konusu olduğu darbe türü olduğu sonucuna ulaşmışlardır. Naik ve Shrirao (2004), epoksi reçine matrisli, karbon elyaf ve E-cam elyaf takviyeli kompozit yapıların balistik özelliklerini karşılaştırılmıştır. Absorbe edilen enerji miktarı ve hasar durumlarını dikkate alınarak yapılan karşılaştırmada E-cam elyaf takviyeli kompozit yapının daha iyi koruma sağladığını gözlemlemiştir. Temiz (2005), para-aramid ve PBO elyaf dokumalar ile yumuşak bir kompozit yapı, para-aramid ve E-cam elyaf dokumaların epoksi reçine ile sertleştirilmesi sonucu sert bir kompozit yapı elde etmiş. Balistik testleri sonucunda yumuşak kompozit yapının kullanılan mermilere karşı uygun koruma sağladığı, sert kompozit yapının ise uygun koruma sağlayamadığı görülmüştür. Da Silva vd. (2005), balistik darbe karşısında Kevlar 29 elyaf dokuma kompozit plakaların delinme, yüzey hasarı ve çöküntü miktarı ile mermi kalan hızını sayısal ve deneysel olarak incelemiş, deneysel ve nümerik sonuçları kıyaslanmış ve neticede sonuçların birbirine yakın çıktığı görülmüştür. Bu tür problemlerde nümerik modelleme ile doğru sonuca ulaşılabileceği tespit edilmiştir. 5

21 Candan (2007), hammadde aşamasından nihai mamul haline gelene kadar aynı kat sayısına sahip preslenerek ve preslenmeden imal edilen yüksek moleküler yoğunluklu polietilen plakalarının üretim aşamalarını, uygulanan balistik test yöntemlerini ve hasar bölgesinin görüntülenmesini terminal balistik olarak değerlendirmiştir. Yaptıkları çalışmada preslenerek üretilen zırh plakalarında mermi hızı ortalama değerinin preslenmeden üretilen zırh plakalarında elde edilen mermi hızı ortalama değerine göre %22 daha yüksek olduğu ve preslenerek üretilen zırh plakalarında elde edilen ortalama çöküntü değerinin, preslenmeden üretilen zırh plakalarında elde edilen ortalama çöküntü değerinden %65 daha küçük olduğu görülmüştür. Zhang (2007), farklı ölçülerdeki kare çelik çerçeve ile sıkıştırılmış, her biri 10 kat Kevlardan oluşan numunelerde balistik darbe sonucu oluşan hasarın 3 boyutlu, deformasyonunu LS-DYNA yazılımı ile analiz etmiştir. Deneyler sonucu çerçeve boyutunun küçülmesi ile mühimmatın hesaplanan artık hızı ve artık kinetik enerjisi arttığını görmüştür. Karahan vd. (2007), farklı kat sayılarındaki Twaron CT 170 tip elyaf dokumayı farklı dikiş tipleri ile birleştirerek balistik performansını araştırmış, tabaka kalınlığı ile dikiş tiplerinin balistik performans üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu, dikişin daha yoğun kullanıldığı yapılardaki çöküntü miktarlarında diğerlerine göre % 6,7 oranında azalma olduğunu görmüştür. Çolakoğlu ve Soykasap (2008), hafif silahlara karşı zırh yapımında kullanılan polimer matrisli, değişik sıcaklıklardaki Kevlar 29 elyaf dokuma ve HB25 sert polietilen kompozit malzemeler ile karbon ve farklı cam elyaf içerikli kompozit malzemelerin balistik özellikleri deneysel ve sayısal yöntemlerle araştırmıştır. Deneysel verilerden elde edilen sonuçları, Abaqus sonlu elemanlar programı kullanarak oluşturulan sayısal model sonuçları ile kıyaslamışlardır. Yaptıkları çalışmanın sonuçları arasında; Kevlar 29 ve HB25 sert polietilenin, polimer içerikli elyaflar oldukları için mekanik özellikleri sıcaklık değişimine hassas olmasıyla birlikte aynı zamanda daha hafif olan HB25 sert polietilen malzemenin Kevlar 6

22 29 dan daha iyi balistik koruma sağladığı, -30 ve +60 C aralığında bazı mermi hızlarında %30 dan fazla değişim olduğu, personel koruyucu olarak E-cam ve karbon elyaflı malzemeler uygun olmadığı, S-cam elyafın E-cama göre daha iyi koruma sağlamasına karşın daha ağırlığı olduğu, deneylerden elde edilen sonuçların Abaqus sonlu elemanlar programından elde edilen sonuçlarla tutarlı olduğu görülmüştür. Bilişik ve Turhan (2009), Kevlar 29 elyaf dokuma ile tek fazlı ve Kevlar 29 ile Kevlar 129 elyaf dokumalarla iki fazlı olarak oluşturdukları toplam 4 çeşide ait dikişsiz ve dikişli numunelerin 5 farklı mermi cinsine karşı balistik performansını araştırmıştır. Yaptıkları çalışmada absorbe edilen enerji yönünden dikişli ve dikişsiz numuneler arasında belirgin bir fark bulunmadığı, ancak çöküntü miktarının dikişli yapılarda daha fazla olduğu sonucuna ulaşmışlardır. Yu vd. (2009), takviye elemanı olarak 3 boyutlu ortagonal dokuma Kevlar 29 ile yine aynı yapıda E-cam kullanarak vinylester reçine matrisle hazırladıkları numunelere 5 mm çapında çelik küre ile 600 m/sn ile 1050 m/sn arasındaki hızlarda atışlar yaparak numunelerin balistik özelliklerini araştırmıştır. Çalışmalarında çelik kürenin kinetik enerjisinin büyük miktarını her iki numune cinsinde de Z eksenindeki fiberlerin absorbe ettiğini, Kevlar 29 takviyeli numunelerin daha fazla enerji absorbe edebildiklerini gözlemlemiştir. Sheikh vd. (2009), E-cam elyaf ve epoksi reçine matris malzemeden, her biri 10 ar kat ve kalınlıkları 4,8 mm olan toplam 10 adet numenin üretimini yaparak aralarında 10 mm boşluk olacak şekilde aparatla birleştirmiş, 35 mm çapında ve 20 mm boyunda, 18,8 gr ağırlında imal edilen vurucu ucu ile 470 m/sn m/sn arasında değişen hızlarda balistik performans incelemesi yapmıştır. Buitrego vd. (2010), E-cam elyaf takviye ve polyester reçine matris malzemelerden üretilen 3 farklı kalınlıktaki monolitik ve katmanlı numunelerin balistik özelliklerini, hasar durumunu ve balistik limit değerini araştırmıştır. Çalışmalarında 7,5 mm çapında ve 1,7 gr ağırlığındaki çelik küre ile m/sn arasındaki hızlarda atışlar yapmışlardır. Deney sonucu olarak daha kalın numunelerin daha yüksek balistik limite, daha geniş ve büyük hasar alanına sahip olduğunu gözlemlemişlerdir. 7

23 Mamivand ve Liaghat (2010), 440 m/sn 610 m/sn arasındaki hızlar için 3 farklı çapta çelik kürelerle atışlar yaparak, aralarında boşluk bırakılmış olan farklı tabaka sayılarındaki Kevlar 29 elyaf dokuma numunelerin matematiksel modelleme yolu ile balistik özelliklerini araştırmıştır. Yaptıkları çalışmada aynı kalınlıktaki 2 tabakanın arasındaki mesafenin belirli bir miktara kadar arttırılmasının balistik limit değerini azalttığı, belirli bir ara mesafesinin üzerinde ise balistik limitin sabit kaldığı, kalın tabaklar için artan mermi çapına ve mermi hızına bağlı olarak fiberlerdeki kopmanın balistik limitin altındaki hızlarda meydana geldiği sonucuna ulaşmışlardır. García-Castillo vd. (2012), 200 m/sn 510 m/sn arasındaki hızlarda aynı çapta çelik kürelerle atış yaparak, geometri ve yoğunluk oranlarındaki değişimin polimer matrisli E-cam elyaf numunelerin balistik davranışını nasıl etkilediğini araştırmıştır. Yaptıkları çalışmanın sonucunda numunelerin geometri ve yoğunluk oranlarındaki artışın balistik limitin artmasına neden olduğunu ve bu oranlardaki değişimlere bağlı olmaksızın balistik limitin altındaki hızlarda fiber kopması, balistik limitin üzerindeki hızlarda ise koni formasyonunun temel enerji absorbsiyon mekanizmaları olduğunu gözlemlemişlerdir. Yapılan literatür araştırmalarında yüksek hızlı darbe konusunda yapılan çalışmalarda malzeme olarak genellikle tek fazlı E-cam elyaf veya para-aramid dokuma elyaf cinslerinin kullanıldığı, birkaç çalışmada monolitik olarak 2 fazlı para-aramid dokuma elyafların kullanıldığı, yüksek yoğunluklu polietilen malzemelerin ise monolitik olarak çok az çalışmada kullanıldığı değerlendirilmiştir. Ancak elyaf dokuma ve polietilen karışımı hibrid kompozit yapılarla ilgili balistik özellikleri araştıran bir çalışmaya rastlanmamıştır. Bu nedenle en yaygın tehdit olan 9 mm mermiye karşı, el yatırma ve el presleme yöntemleri kullanılarak, epoksi reçine matris elemanı ile zırh yapımında kullanılan para-aramid cinsi malzemelerden Kevlar 129, polietilen cinsi malzemelerden SB21 ve diğer bir elyaf cinsi olan E-camın farklı tabaka sayılarında üretilmiş olan hibrid numunelerinin balistik performans özellikleri araştırılmıştır. 8

24 Yapılan çalışma kapsamında; malzemelerin 2 li ve 3 lü kombinasyonları oluşturulmuş, yüksek hızlı darbe testleri yapılmış ve fazların farklı şekillerde yerleştirilmesinin sonucu oluşan hasar durumları incelenmiştir. Koruma seviyesi, balistik uygulamalarda kullanılan mermi mühimmatının kalibresi, tipi, ağırlığı, hızı dikkate alınarak belirlenen bir ölçüt olup, yapılan çalışma kapsamında üretilen numunelerin balistik koruma seviyeleri standardı olarak NIJ (National Institute of Justice) değerleri referans alınmıştır Polimer Matrisli Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemeler Kompozit yapı mukavemeti Elyafların mukavemeti ve malzeme içerisindeki yönlenmeleri kompozit yapının mukavemeti açısından çok önemli olup malzemenin fiziksel ve mekanik özelliklerini doğrudan etkilemektedir. Ayrıca, elyafların uzunluk/çap oranları arttıkça matris tarafından elyaflara iletilen yük miktarı artmaktadır. Uzun elyafların matris içinde birbirlerine paralel şekilde yerleştirilmeleri ile elyaf doğrultusunda yüksek mukavemet sağlanırken, elyafa dik doğrultuda oldukça düşük mukavemet elde edilir. Her iki yönde de eşit mukavemet iki boyutlu yerleştirilmiş elyaf takviyelerle sağlanabilir (Zatorski, 2007). Sürekli elyaf takviyeli polimer matrisli kompozit bir malzeme ve kompozit malzemeyi oluşturan matris ve elyaf yapılarının fiber yönlenmesine paralel yönde çekme-uzama eğrileri Şekil 2.2. de gösterilmiştir (Walker, 2001). 9

25 Gerilme (σσ) elyaf kompozit matris I II III Şekil Değiştirme (ε) Şekil 2.2. Fiber, matris fazları ve kompozit yapının çekme gerilmesi birim şekil değiştirme grafiği Diyagram üç bölgeden oluşmaktadır: 1. Fiber ve matrisin elastik davranış gösterdiği I. bölgede kompozit malzemedeki çekme gerilmesi; σσ c = σσ f V f + σσ m V m (2.1) denklemi ile, malzemenin elastisite modülü ise aşağıdaki denklemle ifade edilebilir: E c = E f V f + E m V m (2.2) 2. Bu aşamada, matris plastik olarak deforme olurken elyaf halen elastik davranış gösterir. Yükün kaldırılması ile elyaf ve matris ilk önce elastik olarak kısalır. Daha sonra elyafların elastik büzülmesinin devamlılığı dolayısıyla basma dayanımında matris plastik olarak deforme olur. Bu yarı-elastik davranışla kompozit ilk boyut ve 10

26 şeklini hemen hemen tekrar kazanır. Matrisin gerilme-uzama eğrisi matris doğrusal olmayan deformasyona uğradığından lineer değildir. Verilen uzamada gerilme-uzama eğrisinin eğimi elastisite modül olarak adlandırılır. Fiberin elastik, matrisin plastik şekil değiştirme gösterdiği II. bölgede kompozit malzemedeki çekme gerilmesi; σσ c = σσ f V f + σσ m V m (2.3) denklemi ile, malzemenin elastisite modülü ise aşağıdaki denklemle ifade edilebilir: E c = E f V f + dσ m V dε m E f V f (2.4) m ε 3. Fiber ve matrisin plastik şekil değiştirme gösterdiği III. bölgede kompozit malzemedeki çekme gerilmesi; σ c = σ f V f + σ m V m (2.5) denklemi ile, malzemenin elastisite modülü ise aşağıdaki denklemle ifade edilebilir: E c = dσ f V dε f + f ε dσ m V dε m (2.6) m ε Kompozit malzemenin kopma gerilmesi; σσ ck = σσ fk V f + σσ m V m (2.7) denklemi ile ifade edilebilir. Kompozit yapıda olması gerekli kritik fiber hacmi aşağıda verilmiştir (Springler ve Kollar, 2003); V f V kr = σ mk σ m σ fk σ (2.8) m 11

27 Şekil 2.3. de gösterildiği gibi elyaf eksenine dik doğrultuda bir kuvvet uygulandığında, elyaf ve matris üzerinde eşit olarak yük uygulanır. σσ 2 σ 2 matris M H fiber matris Şekil 2.3. Elyaf eksenine dik doğrultuda yüklenen birim hacim eleman Sistemde her bileşen için aynı miktarda gerilme meydana gelir. Buna göre fiberin ve matrisin uzama miktarı ε f = ε p olup; aşağıdaki eşitliklerde verilmiştir: ε f = σ E f ve ε m = σ E m (2.9) Kompozit sistemimim aynı doğrultudaki uzama miktarı ise; ɛ= V f ε f + V m ε m (2.10) olarak ifade edilir. Bu ifade (2.9) denkleminde yerine konularak aşağıdaki eşitlik elde edilir: ɛ= V f σ E f + V m σ E m (2.11) 12

28 Elyaf eksenine dik doğrultuda sistemde meydana gelen gerilme aşağıdaki eşitlikte verilmiştir: σσ = E ɛ = E V fσ E f + V mσ E m (2.12) Sistemin gerilme yönündeki elastisite modülü ifadesi aşağıda verilmiştir (Graeme, 2004): E= E fe m E f V m +E m V f (2.13) Takviye malzemeleri Matris malzemesinin içinde yer alan elyaf takviyeler yapının temel mukavemet elemanları olup kompozit yapının sertlik, sağlamlık gibi yapısal özelliklerini, matris malzemesi ise takviye elemanlarının bütünlük oluşturmasını, birbirine bağlanmasını, yükün takviye elemanına dağılmasını ve kimyasal etkiler ile atmosfer şartlarından korunmasını sağlar (Ashby, 1999). Polimer matrisli elyaf takviyeli kompozit malzemenin özelliklerini belirleyen genel unsurlar aşağıdadır: Takviye elemanının özellikleri, geometrisi ve matris içindeki yönlenmesi Matris malzemesinin özellikleri Takviye elemanı matris ara yüzeyindeki yapışma kabiliyeti Takviye elemanı / matris oranı (Springler ve Kollar, 2003) Bor, karbon, silisyum karbür, aramid, alümina, poliamid, polyester, organik ve cam elyaf sınıfı takviye malzemeleri ile üretilen kompozitler genel olarak düşük yoğunluklarının yanı sıra yüksek elastisite modülüne sahiptir. Cins ve geometrisine göre sınıflandırma şeması Şekil 2.4. de sunulmuştur (Soy, 2009). 13

29 KOMPOZİT MALZEMELER FİBER TAKVİYELİ PARTİKÜLTAKKVİYELİ ÇOK TABAKALI TEK TABAKALI DÜZENSİZ DAĞILIMLI YÖNLENDİRİLMİŞ SÜREKLİ FİBER TAKVİYELİ KISA FİBER TAKVİYELİ TEK YÖNLÜ ÇOK YÖNLÜ DÜZENSİZ DAĞILIMLI YÖNLENDİRİLMİŞ Şekil 2.4. Kompozit malzemelerin takviye elemanlarına göre sınıflandırılması Takviye malzemesinin temel fonksiyonları; yükü taşımak (kompozit bir yapı da yük %70-90 oranında takviye malzemesi tarafından taşınır), mukavemet, termal stabilite, elektrik iletimi veya yalıtımı sağlamaktır. Üretim yöntemine bağlı olarak hidrokarbon zincirlerinin yönleme durumu ve moleküler yapı farklılıkları balistik uygulamalarında kullanılan elyafların birbirlerinden farklı mukavemet ve yapısal özellikler göstermesini sağlar. Kompozit malzemelerin balistik özellikleri, bileşenlerinin malzeme özellikleri, şekli ve yapısal düzeni ile birbirleri ile etkileşimine bağlıdır. Elyaf takviyeli zırh terimi bu kapsamdaki malzemeler için genel bir ifadedir. Bu kapsamda elyaf dokuma ve dokuma olmayan yapılar mevcuttur. Her iki tip malzeme de reçine matrisli veya matrissiz olarak kullanılmaktadır (Vasiliev ve Morozov, 2001). 14

30 Dokuma yapılar Lif kelimesinin çoğulu olan elyaf kelimesi daha yaygın olarak kullanılmakta olup liflerin çapı ortalama 0,01 mm mertebesindedir. Narinlik oranı e kadar çıkabilmektedir. (L/d 104). Lifler farklı kaynaklardan elde edilmekte ve değişik özellikleriyle büyük çeşitlilik göstermektedir. Şekil 2.5. de şematik olarak lif temel boyutlandırması, Şekil 2.6. da dokuma elyaf malzeme örneklerinin resimleri sunulmuştur (Vasiliev ve Morozov, 2001); (Soy, 2009). Şekil 2.5. Lif temel boyutlandırması Elyaf dokuma yapılar 2 boyutlu ve 3 boyutlu olarak iki temel gruba ayrılabilir. 2 boyutlu elyaf dokuma bir yapı, 90 olarak iç içe geçmiş atkı ve çözgü liflerinden oluşur, düzlem, twill ve basket olarak çeşitlendirilir. Birim alanda atkı ve çözgü yoğunluğu, diğer bir ifadeyle lifler arasındaki bağlantı noktalarının çokluğu darbe enerjisinin daha hızlı ve kolay yayılabilmesini sağlar (Heimbs vd., 2010). Basket tipi dokuma düzlem tip dokumaya benzemektedir. Bu dokuma tipinde hem atkı yönünde hem de çözgü yönünde 2 veya daha fazla lif birlikte örülmüştür. Twill tipi dokuma da basket tipi örgüye benzer bir yapıya sahiptir. Bu dokuma tipinde ikişerli atkı ve çözgü lif çiftlerinden bir seferde bir adet lif dokunmuştur. Balistik koruyucu uygulamalarında en yaygın kullanılan dokuma şekilleri düzlem ve basket tipi dokumalardır (Csukat, 2006). 15

31 Cam Elyaf Karbon Elyaf Aramid Elyaf Cam Dokuma Şekil 2.6. Elyaf dokuma malzeme örnekleri 3 boyutlu dokuma çeşitleri temel olarak; örgülü, ortogonal, üç eksenli yapılar olup, darbeye karşı dirençleri yüksek olmakla birlikte diğer kompozit zırh sistemlerine göre daha ince yapıda olan balistik koruyucu yeleklerde enerji sönümleme kabiliyetleri 2 boyutlu sistemler kadar verimli değildir. 2 boyutlu ve 3 boyutlu elyaf dokuma örneklerinin resimleri Şekil 2.7. de sunulmuştur (Grogan, 2007). DÜZLEM BASKET TWILL ÖRGÜLÜ ORTAGONAL 3 EKSENLİ Şekil boyutlu ve 3 boyutlu elyaf dokuma örnekleri 16

32 Dokuma olmayan yapılar Dokuma olmayan fiber yapılar bir tabakanın aynı özellikli diğer bir tabaka ile Şekil 2.8. de gösterildiği gibi birbirlerine 0, 45 veya 90 konumda veya bunların birleşimi olacak şekilde bir reçine bağlayıcı kullanılarak birleştirilmesiyle üretici firmalar üretilen yapılardır (Morye vd., 2000). Şekil 2.8. (a) 0 konumlu, (b) 0, ±45, 90 konumlu, dokuma olmayan fiber yapı Takviye malzemesi çeşitleri Polimer matrisli kompozit yapılarda kullanılan farklı özelliklerde muhtelif elyaf grupları mevcuttur. Aşağıda yanlıca yapılan çalışma kapsamında kullanılan elyaf çeşitlerine ilişkin açıklamalar verilmiştir Cam elyaflar Cam elyaflar, polimer matrisli kompozitlerde en çok kullanım alanına sahip elyaf çeşitleridir. Cam terimi, inorganik camların geniş bir grubunu ifade etmek için kullanılır. Termoset reçinelerle birlikte kullanılan takviye elemanlarının 2/3' ünden fazlası ana maddesi silika olan cam elyaflar olup erime noktaları yaklaşık 840 C dir. Bileşimi : %54 silika, %17,5 kalsiyum oksit, %14 alüminyum oksit, %8 bor oksit ve %4,5 magnezyum oksitten oluşur. Üretim olarak cam lifler; erimiş camın yüksek 17

33 hızlarda, çok sayıda delik ( arası) içeren platin bir levha üzerinden geçirilmesiyle elde edilir. Elde edilen uzun lifler yüksek hızda döndürülerek cam geçiş sıcaklığı civarında soğutulup katılaşır (Vasiliev ve Morozov, 2001). Değişik malzemelerin eklenmesi ile cam elyafların özellikleri değişik performans seviyelerine ayarlanabilir. Lif çapı 5-20 µm arasında olan cam elyaflar uzunluk ve enine yönde eşit elastik modüle, yüksek çekme ve darbe dayanımına sahip, genellikle amorf yapılardır. Mekanik özellikleri sıcaklık artışıyla fazla değişmez ve yanmazlar. Çok güçlü alkaliler ve hidroflorik asit dışında korozyona dayanımları çok yüksektir. Cam liflerinin genel özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir: Çekme mukavemeti ve spesifik mukavemeti yüksektir Nem absorbe etme özellikleri yoktur Elektriği iletmezler Isıl dirençleri düşüktür Kimyasal dirençleri yüksektir (Deborah, 1994). Düşük elastisite modülü, yüksek yoğunluğu, kullanım esnasında aşınmaya karşı olan duyarlılığı, düşük yorulma direnci ve yüksek sertliği de dezavantajlarıdır. Başlangıçta, cam liflerinin üretiminde A-camı (alkali cam) kullanılmıştır. Bunu çok az alkali içeren ve çok üstün elektriksel ve mekanik özelliklere sahip bir borsilikat camı olan E-camının kullanılmaya başlanması izlemiştir. Kompozit yapılarda matris fazı olarak genellikle plastik veya epoksi reçinelerle kullanılırlar. Çizelge 2.1. de mekanik özellikleri sunulan (Mark, 1999) cam elyaf çeşitleri kısaca aşağıda belirtilmiştir: A (Alkali) Camı: Yüksek oranda alkali içerir, bu nedenle elektriksel yalıtkanlık özelliği kötüdür. Kimyasal direnci yüksek, en yaygın cam tipidir. C (Korozyon) Camı: Kimyasal çözeltilere direnci çok yüksektir. E (Elektrik) Camı: Düşük alkali oranı nedeniyle elektriksel yalıtkanlığı diğer cam tiplerine göre çok iyidir. Mukavemeti oldukça yüksektir. Esas olarak elektrik yalıtım amaçlı düşünülmesine rağmen iyi mekanik özelliklere ve ısıl dirence sahip 18

34 olup bugün birçok sanayi dalında ve özellikle nemli ortamlar için geliştirilen kompozitlerde genellikle E-camı kullanılmaktadır. S (Mukavemet) Camı: Yüksek modüle ve mukavemete sahip olmasına karşın yüksek maliyetinden dolayı ancak özel kullanım alanlarına uygundur. Yüksek sıcaklıklarda oldukça iyi bir yorulma direncine sahiptir. Çekme mukavemeti E-camına oranla %33 daha yüksektir (Soy, 2009). Çizelge 2.1. Cam elyafların mekanik özellikleri ÖZELLİK A C S E Özgül ağırlık (gr/cm³) Elastik modül (GPa) Çekme mukavemeti (MPa) Yumuşama sıcaklığı ( C) Para - aramid elyaflar Aramid aromatik polyamid in kısaltılmış adı olup, meta-aramidler ve paraaramidler olmak üzere iki sınıfta incelenmektedir. Kevlar ve Twaron, para-aramidler grubunda, Nomex, meta-aramid lifler grubundadır. Meta-aramid lifleri düşük oryantasyon derecesi nedeniyle düşük modüllü olduklarından balistik koruma ürünlerinde tercih edilmemektedir. Para-aramid lifleri, modüllerinin ve termal dirençlerinin yüksek olmaları nedeniyle balistik koruma amaçlı en çok kullanılan liflerdir (Ulven vd., 2003). Kevlar ve Twaron, C de cam geçiş sıcaklığına ulaşır, ortalama 497 C civarında erimeye başlarlar. Genel olarak polimerlerin üst kullanım sıcaklığının ortalama 250 C ve erime sıcaklığının 300 C olduğu göz önüne alındığında para aramidler çok geniş bir ısı yelpazesi içinde (uzun sürelerde) mükemmel dayanıklılık özellikleri göstermekte olup, -196 C gibi ve daha düşük ısılarda dahi dayanıklılığından bir şey kaybetmezler. Aynı zamanda mükemmel boyutsal stabilite özellikleri gösterirler. Aramidler, kimyasal maddelerden ve nemden etkilenmeyen, birkaç kuvvetli asit ve alkali hariç kimyasal direnci çok iyi olan malzemelerdir (Özek, 2005). 19

35 Kevlar iyi moleküler oryantasyonu olan, yüksek mukavemetli ve yüksek elastisite modüllü, aromatik halka yapısı sayesinde termal dayanımı oldukça yüksek bir malzemedir. Bununla birlikte ultraviyole ışınlarına direkt olarak maruz kaldıklarında, hassas olan aramidler bir karma materyal içinde yer aldıkları zaman, direkt olarak ultraviyole ışınlarına maruz kalmadıkları için bu ışınların olumsuz etkilerinden çok az etkilenirler veya hiç etkilenmezler. Kevlar ipliğinin kopma mukavemeti çelik telinkinden 5 kat daha yüksek ve yoğunluğu çeliğin yoğunluğunun beşte biri oranında olup, düşük ağırlıkta yüksek mukavemet, yüksek modül ve kesilmeye karşı yüksek dayanım göstermektedir. Elektrik iletkenliği düşük, yüksek sıcaklığa ve kimyasallara karşı yüksek dayanıma sahiptir (Gálvez ve Paradela, 2009). Çizelge 2.2. de Kevlar ve Spectra çeşitlerinin bazı mekanik özellikleri verilmiş olup (Mark, 1999) bu elyaflar mayından koruyucu botlar, kurşungeçirmez yelekler ve miğferler gibi birçok balistik koruyucu malzemede yaygın olarak kullanılmaktadır. Kevlar lifleri nemi absorbe edebildiklerinden, cam elyaf malzemelerden yapılan kompozitlere göre çevre şartlarına karşı daha hassastırlar. (Muhi vd., 2009). Kopma dayanımı ve elastisite modülünün yüksek olmasına rağmen, sıkıştırılabilirlik değerleri nispeten zayıf olup bunun yanı sıra, Kevlar kesilmesi oldukça zordur. Kevlar liflerinin önemli özellikleri yüksek darbe, aşınma, yorulma ve kimyasal dayanımı, düşük yoğunluk ve E-cam türü elyaflara yakın basınç dayanımı olarak özetlenebilir. Dezavantajları ise; Bazı aramid elyaf türleri ultraviyole ışınlara maruz kaldığında bozulma göstermektedir. Bu sebeple sürekli karanlıkta saklanmaları gerekmektedir. Elyaflar çok iyi birleşmeyebilirler. Bu durumda reçinede mikroskobik çatlaklar oluşabilir. Bu çatlaklar malzeme yorulduğunda su emişine yol açmaktadır (Chocron vd., 2010). 20

36 Çizelge 2.2. Aramid ve polietilen malzemelere ait fiziksel özellikler (Mark, 1999) MALZEME ELASTİSİTE ÇEKME KOPMA YOĞUNLUK MODÜLÜ DAYANIMI UZAMASI (g/m³) (GPa) (MPa) (%) ARAMİD Kevlar 29 1, ,5-4.2 Kevlar 49 1, ,4-2,8 Kevlar 129 1, ,3-3,5 Kevlar 149 1, ,5-1,8 Kevlar KM2 1, ,4-0,4 Technora 1, Twaron 1, POLİETİLEN Spectra 900 0, ,5 Spectra , ,7 Spectra , ,5 PBO Zylon 1,54-1, ,5-3, Yüksek moleküler ağırlıklı polietilen Molekül ağırlığı 10 4 düzeyinde olan plastiğe polietilen denir. Yüksek moleküler ağırlıklı polietilen ise 10 6 düzeyinde bir molekül ağırlığına sahiptir. Diğer yüksek performanslı fiberlere nazaran düşük kopma uzaması değerine sahip olmasına rağmen kopma enerjisi değeri son derece yüksektir (Bhatnagar, 2006). Yoğun moleküler yapılı polietilen, mermi ve şarapnel parçaları gibi değişik tehlikelere karşı üretilen çeşitli koruma elemanlarının içerisinde (başlık ve kompozit yelek ilave koruma plakaları) yüksek koruma sağlamaktadır. Sıcaklık yönünden ele aldığında yüksek moleküler ağırlıklı fiberler, para-aramidler kadar yüksek sıcaklık dayanımına sahip olmayıp, C civarında erime gösterirler. Buna karşılık 21

37 aşırı düşük sıcaklıklarda bile darbe mukavemetleri para-aramidlerden daha yüksektir (Candan ve Akdemir, 2004). Yüksek moleküler ağırlık polietilen, aramid ve S-Cam zırh uygulamalarında kullanılan en önemli ileri kompozit malzemelerdir. Bu malzemelerin tek başlarına kullanılması ile normal çekirdekli tehditlere karşı en hafif çözümleri elde etmek mümkündür. Ayrıca, tabakalı zırhlarda destek katmanı olarak kullanılmaları ile zırh delici mermi tehditlerine karşı hafif çözümler elde edilir. Hafiflikleri ve kolay şekil verilebilmeleri sayesinde personel zırhlarında yaygın olarak kullanılırlar (Parnas vd., 2005) Matris malzemeleri Kompozit malzemeler matris malzemelerine göre polimer, seramik ve metal matrisli kompozit malzemeler olarak sınıflandırılırlar. Farklı yapısal özelliklere sahip olan bu malzemeler farklı alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bazı uygulama alanları örnekleri için kullanılan matris malzemesi çeşitleri Çizelge.2.3. de verilmiştir. Çizelge.2.3. Matris malzemesi çeşitleri ve uygulama alanları (Lee vd., 2001) MATRİS GRUBU Polimer Metal Seramik MATRİS ÇEŞİDİ Termoset Termoplastik Alüminyum Titanyum Bakır Alümina Sermetler UYGULAMA ALANI Uzay-havacılık, spor malzemeleri, vb. Balistik koruma, mekanik parçalar, vb. Uzay-havacılık, spor malzemeleri, elekt. devreleri, vb. Türbinler, vb. Yüksek mukavemetli elektrik iletkenleri, vb. Yüksek sıcaklık mekanik uygulamaları, vb. Kesici uçlar, parlatma malzemeleri, vb. 22

38 Matris malzemelerinin temel görevleri aşağıdadır: Malzemenin şekil ve geometrisini oluşturmak ve sürdürmek Takviye elemanlarını dış etkilerden korunma (aşınma, korozyon vb) Kompozite gelen yükü üniform bir şekilde dağıtmak Takviye elemanlarını bir arada tutmak Takviye elemanlarını burkulmadan korumak Boyutsal stabiliteyi sağlamak Kompozitin termal özelliklerini belirlemek Termomekanik stabilite (De Luca vd., 1998). Polimer matrisli kompozit malzemelerin en önemli özellikleri konvansiyonel malzemelerden çok yüksek mukavemet/ ağırlık, modül / ağırlık oranlarına sahip olmalarıdır. Minimum ağırlıkla çok fazla yük taşıyabilme kabiliyetleri yüksektir. Matris malzemesi başlangıçta düşük viskoziteli bir yapıda iken daha sonra takviye elemanını çok iyi sararak ıslatabilmeli ve katı forma kolaylıkla geçebilmelidir. Kompozit yapılarda yükü taşıyan elyafların fonksiyonlarını yerine getirmeleri açısından matrisin mekanik özelliklerinin rolü çok büyüktür. Matris malzemesi, liflerin aşırı yanal hareketini önleyerek, merminin temas ettiği lif sayısını arttırır. Böylelikle lifler tarafından sönümlenen kinetik enerji miktarı artar (Kocer, 2007). Kompozitin özelliklerini oluşturan matris ve takviye elemanından sonraki diğer bir önemli unsur da Şekil 2.9. da şematik gösterimi verilen elyaf ve matris arasındaki ara birimdir. Kompozit bileşenleri arasındaki etkileşim etkinliği ara birime bağlıdır. Kompozitin çevre etkilerine bağlı olarak özelliklerinin azalması, fiber-matris ara birim yüzeyindeki bağ kuvvetinin azalmasıyla açıklanabilir (Joo ve Kang, 2008). Arabirimdeki iyi bir yapışma yüksek kesme mukavemeti gösterir. Elyaflarla matris arasında iyi bir yapışma olmaması, zayıf bir arabirim meydana gelmesine sebep olur. Elyaf yönlenmelerine dik doğrultuda, matrisin mekanik özellikleri ve elyaf ile matris arasındaki arabirimin sahip olduğu bağ kuvveti, kompozitin mukavemetini ve davranış karakteristiğini belirleyici önemli hususlardır. Arabirimdeki bağın ya da yapışmanın yüksek olması kompozitin mukavim ve katı, zayıf olması kompozitin 23

39 mukavemet ve katılık yönünden zayıf olduğunu gösterir. Arabirimdeki yapışma; yüzeylerin şekillerine, arabirimi meydana getiren malzemelerin yapılarına, temas basınçlarına ve çalışma sıcaklığına bağlıdır (Ashby, 1999). ara yüzey takviye elemanı matris Şekil 2.9. Elyaf ile matris arasındaki arabirim (Ashby, 1999) Genel olarak polimer bir matristen beklenen özellikleri aşağıdaki gibi sıralanabilir: Düşük viskozite ve fiberler arasına iyi sızabilme Fiberlere yüksek yapışabilme kabiliyeti (Yapışma kabiliyeti arttıkça, yüklerin matristen takviyeye yeterli miktarda aktarılması ve gerilme altında fiber-reçine ara yüzeyinde ayrılma veya kırılmalara engel olunması mümkün olur.) Hasara kadar yüksek deformasyon ve tokluk gösterme (Kırılma tokluğu malzemenin çatlak ilerlemesine gösterdiği direncin bir ölçüsü olup matrisin hasar uzaması arttıkça tokluğu genel olarak artar, aksi durumda matris gevrek karakter gösterir ve kolayca kırılır.) Yüksek ısıl direnç, elektriksel özellikler ve korozyon direnci Yüksek darbe ve yorulma dayanımı Yüksek mukavemet/ ağırlık, modül/ ağırlık oranları Minimum ağırlıkla çok fazla yük taşıyabilme kabiliyeti Düşük elastisite modülü (Jovicic vd., 2000) 24

40 Reçine takviyesi yapılan elyaflarla oluşturulan balistik koruyucu sistemler, reçine takviyesi olmayan sistemlerle karşılaştırıldığında: Reçinesiz sistemler eğilme mukavemeti göstermezken, reçineli sistemler eğilme mukavemeti gösterir. Bu da sistemin darbelere karşı genel deformasyon dayanımını arttırır Reçineli sistemde elde edilen sert yüzey ilk anda merminin uğrayacağı deformasyon miktarını arttırır Reçineli sistemlerdeki eğilme mukavemeti, enine şekil değiştirme dalga hızının artmasını sağlar (López vd., 2007). Reçine matrisli elyaf dokuma bir yapı için darbe noktasında; mermi ile momentum dengesinde olan kompozit yapı parçasının kütlesi merminin kütlesine eşittir. Reçine matrisli elyaf dokuma bir hedef sistemi, izafi olarak artan fiber yoğunluğu ile birlikte artacak yoğunluğuna eşdeğer yoğunlukta olan reçinesiz yapıdan daha iyi balistik performans gösterir. Alansal yoğunluğu yüksek olan fiber kullanmak yerine, zırh sisteminin alansal yoğunluğu reçine ilavesi ile arttırılırsa, fiberlerin hareket etme kabiliyeti kısıtlanacağı için mermi tarafından daha kolay hasara uğratılır. Sonuç olarak izafi olarak artan fiber yoğunluğu ile zırh sisteminin eğilme mukavemeti ve mermiyi deforme edebilme kabiliyeti artar, balistik limit seviyesi yükselir (Walker, 2001). Polimer matrisli kompozit malzemelerde, matris olarak kullanılan reçine miktarının artması veya azalması kompozit malzemelerin mekanik özelliğini önemli ölçüde etkiyen bir faktördür. Polimer moleküllerinin yapısı ile sıvı ve katı durumdaki makroskobik özellikleri arasındaki kuvvetli ilişki, basınç ve sıcaklık altında bu moleküllerin izafi olarak birbirlerine göre olan hareketliliğini kolaylaştırıcı veya zorlaştırıcı yönde etkiler. Polimerik matris malzemeleri, moleküller arası bağ kuvvetine ve nihai yapı durumuna göre genel olarak termoset ve termoplastik malzemeler olarak iki temel grupta sınıflandırılır (Grujicic vd., 2009). 25

41 Termoset reçineler Termoset kompozit malzemeler, reçineler ile sertleştiricilerin/ katalizörlerin belli oranlarda karıştırılması ve takviye malzemeye nüfuz ettirilmesi ile elde edilir. Söz konusu karışma esnasında reçine ile sertleştirici malzemeler arasında geri dönüşümü olmayan kimyasal reaksiyonlar ve bağlar meydana gelir. Katılaşan termosetler ısı ile bir daha sıvı hale dönüşemezler. Buna karşılık belli bir sıcaklık değerlerinin üzerine çıkıldığında mekanik özellikleri önemli ölçüde değişmektedir. Bu sıcaklık cam geçiş sıcaklığı olarak bilinmektedir ve kullanılan reçine türüne, pişirme derecesine ve doğru bir karışım elde edilip edilmediğine bağlı olarak değişmektedir. Cam geçiş sıcaklığından büyük sıcaklıklarda, termoset polimer molekülleri rijit kristal bir yapıdan daha esnek amorf polimer bir yapıya dönüşür. Bu değişim cam geçiş sıcaklığından daha düşük sıcaklıklara tekrar inildiğinde geri dönüşüm özelliğine sahiptir. Cam geçiş sıcaklığından büyük sıcaklıklarda, reçine elastisite modülü ve sonuç olarak basma ve kayma mukavemeti keskin bir şekilde düşüş gösterir. Bunların dışında, su direnci ve renk stabilitesi gibi özellikler de önemli ölçüde düşmektedir (Bhatnagar, 2006). Termosetler sıvı reçine halinde olup bir kez katılaştırıldıktan (kür) sonra tekrar yumuşatmak ve şekillendirmek mümkün değildir. Termoset reçineler küçük monomer moleküllerini, uzun ve aralarında kuvvetli bağlar bulunan polimer molekülleri haline getiren kimyasal reaksiyon sonucu oluşur. Bu reaksiyonun gerçekleşmesi için genellikle katılaştırıcı kullanılır. Katılaştırıcı ilavesi ile sıvı durumdan önce jel haline gelir ve sonra da katılaşırlar. Termoset reçineler izotropiktirler. Plastikler arasında kalıpta şekil verilebilen, ısıl direnci en yüksek polimerlerdir (Staab, 1999). Termoplastiklerden daha sert ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı olup endüstride kullanılan matrislerin genel olarak %75 i termosettir. Oda sıcaklığındaki sınırlı çalışma zamanı, katılaşma için geçen uzun fabrikasyon zamanı, kopma esnasındaki düşük uzama dezavantajlarıdır. Epoksiler, polyesterler, vinylesterler, fenolikler, silikonlar, poliüretanlar ve akrilikler en yaygın kullanılan termoset matris malzemeleridir. Yüksek mukavemet göstermeyen durumlarda en çok kullanılan matris malzemesi polyester reçinedir (Hearle, 2001) Epoksi terimi; bir adet oksijen atomu ile iki adet karbon atomundan 26

42 oluşan bir kimyasal gruba verilen addır. Çekme, basma, aşınma, kimyasal ve darbe dayanımları oldukça yüksektir. En önemli özelliği, hangi düzgünlük ve dokuda olursa olsun, herhangi bir yüzeyi yapıştırma kabiliyetidir. Viskozitesi çok düşük olup oda sıcaklığında katılaşabilirler. Uygulanan kür işlemleri ile yüksek sıcaklıklara dayanımları ºC ye artırılabilir. Büzülmesi %2 den azdır. Kür işlemleri uygun katalizörlerin kullanılması ile hızlandırılabilir. Sertleşme sırasında kendini çekme sorunu yoktur (Kalpakjian ve Schmid, 2001). Bu özelliklerin yanı sıra sahip olabilecekleri formülasyonların çeşitliliği ve çok yönlü işlenebilirlik özellikleri nedeniyle epoksi termoset reçinenin, birçok uygulama alanı bulmuş olup avantajları şunlardır: Yüksek kopma mukavemeti Elyaf yapılarla yüksek bağ mukavemeti sağlarlar Yüksek aşınma direncini Uçucu değildirler ve kimyasal dirençleri yüksektir Düşük ve yüksek sıcaklarda sertleşebilme özelliğine sahiptirler Başlangıçtaki reçine sistemi sıvı formda olduğundan, termoset kompozitleri işlemesi kolaydır. Lifler, termosetlerle kolay ıslatılabildiğinden, boşluk ve gözenek daha azdır Termoset kompozitlerin işlenmesinde, termoplastik kompozitlere göre, ısı ve basınç gereksinimi daha azdır. Bu da enerji kazanımı sağlar Termoset kompozitlerin işlenmesinde, basit ve düşük maliyetli teçhizat kullanılabilir Dezavantajları: Polyestere oranla yüksek viskoziteye daha az uygundur Maliyetleri daha yüksektir Uzun kür zamanları gerektirir, termoplastiklere göre düşük üretim oranları elde edilir Kompozit parçalar, bir kez kür edilir, katılaştırıldığında tekrar şekil verilemez (Graeme, 2004). 27

43 Termoplastik reçineler Termoplastikler termal enerji ve basınç uygulandığında kolaylıkla yumuşayan, deforme olabilen, akıcı durumda ve soğutulduğunda sertleşebilen malzemelerdir. Termoplastik malzemeler, kovalent bağlara daha zayıf olan Van Der Walls bağlarının bir arada tutuğu uzun hidrokarbon molekülleri içermektedir. Lineer polimerler grubuna dahil olan termoplastikler tekrar tekrar kullanılabilme özelliğine sahiptirler. Şekillendirilme sırasında herhangi bir kimyasal değişikliğe uğramayıp birden fazla ısıtma ve soğutma işlemine tabi tutularak kalıplanabilen termoplastikler üretim sırasında eritilerek elyaflara emdirilir. Termoplastikler oda sıcaklığında yüksek viskoziteye sahip oldukları için, matris malzemesi olarak kullanıldıklarında lif ile arasında bağların kurulması termosetlere göre zordur. Naylon, polikarbonat ve polyamid en yaygın kullanılan termoplastiklerdir. Termoplastiklerin en büyük avantajı belirli bir kullanım ömrünün olmayışıdır. Bu grupların dışında, polimerik matris malzemeler kapsamında doğal ve sentetik lastiklerin yer aldığı üçüncü bir grup olarak da elastomerler de mevcuttur. Çizelge 2.4. de Çeşitli termoset ve termoplastik reçinelerin özellikler verilmiştir (Springler ve Kollar, 2003). Çizelge 2.4. Termoset ve termoplastik reçinelerin özellikler Özellikler Epoksi Polyester Fenolik Polyamid Yoğunluk (gr/cm 3 ) 1,2-1,4 1,04-1,46 1,24-1,25 1,3-1,4 Çekme Mukavemeti (Gpa) Elastisite Modülü (Gpa) 2,6-3,8 3,1-4, ,8-4,8 Kopma Uzaması (%) 1, ,5 1-1,8 1,5-3,2 Basma Mukavemeti (Mpa) Çarpma Direnci (kg/cm) 0,01-0,05-0,27-0,35 0,37-0,54 Kullanım sıcaklığı ( 0 C) Özgül ısı (Cal/ 0 C.gr) 0,21 0,55 0,37 0,19 28

44 2.2. Polimer Matrisli Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemelerde Balistik Darbe Balistik bilimi atış sırasında silahın ve çekirdeğin namlu içerisinde ve dışında geçirdiği evrelerin (basınç, yiv-set etkileri, mermi yolu, güç, vuruş, penetrasyon) tamamının incelenmesidir. Balistik inceleme iç balistik ve dış balistik olarak iki kısım olup, dış balistik kapsamındaki terminal balistiğin konusu hedef içerisinde çekirdek ve hedefte oluşan evrelerin incelenmesidir (Candan ve Akdemir, 2004). Darbe hızı ve çarpan kütlenin büyüklüğü darbe şeklini belirler. Düşük hızlı darbede merminin malzemeye temas süresi, darbe noktasından itibaren malzeme üzerinde oluşan titreşimlerin yayılma süresinden daha uzun olduğu, diğer bir deyişle vurucu cismin malzemeye temas süresinin, malzemede meydana gelen en düşük titreşimin periyodundan daha uzun olduğu darbe türü düşük hızlı darbedir. Genel olarak düşük hızlı darbede çarpan cismin kütlesi, yüksek hızlı darbesinden daha büyüktür. Malzemenin içinde meydana gelen delaminasyonlar düşük hızlı darbeyi tehlikeli kılarken, yüksek hızlı darbe malzemenin yapısal bütünlüğünü doğrudan etkiler. Yüksek hızlı darbede, merminin malzemeye temas süresi, malzemenin en düşük titreşim periyodundan çok daha hızlı olup, darbe mekanizmasının hedef ve mermi parametreleri ile bağıntılı olarak yapılan analitik incelemeleri ayrı ayrı araştırma sahaları oluşturmaktadır (Naik ve Shrirao, 2004). Bu kapsamda; balistik performansın kompozit yapının matris ve takviye fazlarının mekanik özellikleri ile merminin darbe karakteristiğine bağlı olması sebebiyle diğer bir araştırma sahası olan analitik incelemenin kapsamının daha sınırlı olmasına ve deneysel çalışmaların daha yaygın yapılmasına ihtiyaç göstermektedir. Mermilerin darbe hızlarının genel olarak sınıflandırılması aşağıda verilmiştir: Alçak hızlı darbe (10 m/sn ye kadar) Orta hızlı darbe ( m/sn) Yüksek hızlı darbe ( m/sn) (Starratt vd., 2000) 29

45 Balistik performansa etkiyen parametreler Balistik performans parametreleri Çizelge 2.5. de özetlendiği şekilde genel olarak mermi ve hedef yönünden değerlendirilebilir (Gellert vd., 2000). Çizelge 2.5. Mermi ve hedef yönünden balistik performans parametreleri HEDEF MERMİ Malzeme Özellikleri ve Yapısı Fiziksel Özellikler Elastisite Modülü Alansal Yoğunluk Kalınlık Tabaka Sayısı Ağırlık Kalibre Uç Geometrisi Sertlik Hız Vuruş Açısı Hedefin malzeme özellikleri ve yapısı Gerek elyaf dokuma gerekse dokuma olmayan polietilen fiber yapılardan oluşan kompozit sistemlerin balistik koruyucu özellikleri, elyaf ve fiberlerin fiziksel özelliklerine göre değişiklik göstermektedir. Kompozit bir yapının yüksek hızlardaki çarpmalara gösterdiği direnç lifin elastiklik modülü, kopma uzaması gibi lif özellikleri ile lifin bu kompozit yapı içerisindeki kullanım şekline ve kompozitin alansal yoğunluğuna bağlıdır (Campos vd., 2003). Elyaf dokuma yapılarda, merminin çarpmasıyla birlikte, darbe hızına bağlı olarak liflerde ani gerilme artışı meydana gelir. Kritik hızın altındaki hızlarda gerilme artışı lifleri koparacak yetkinlikte olmadığı için enine yönde eğilme meydana gelmekte ve lifler uzayarak enerji yutulmaktadır (Karakan, 2008). 30

46 Lifin elastisite modülü ne kadar yüksek olursa, oluşacak deformasyonun yayılması o kadar hızlı olmaktadır. Sistemin enerji absorbe edebilme yeteneği, lifin elastisite modülü ile doğru orantılıdır. (Briscoe ve Motamedi, 1990). Tabakalı yapıların balistik özellikleri lif tipi, reçine tipi, doku konstrüksiyonu, kat sayısı, iplik yönü, kesişmeleri ve yoğunluğu gibi parametrelere bağlı olarak değerlendirilmesi gerekmektedir (Briscoe ve Motamedi, 1992). Balistik uygulamalarda yoğunluk, dokuma yapının atkı ve çözgü adımlarına göre belirlenmiş bir faktörle tanımlanmaktadır. Yoğunluk faktörü 0,6 0,95 arasında boyutsuz bir faktör olup, 0,6 değerinden düşük olması yapının gevşek olmasına ve reçinesiz dokuma elyaf yapılarda, liflerin birbirine karışarak sağa sola kaymasına sebep olur. Yine reçinesiz dokuma elyaf yapılarda, liflerin yüzey sürtünmesinin düşük olması durumunda balistik performans olumsuz yönde etkilenir (Cheeseman ve Bogetti, 2003). Polimer matrisli kompozit bir yapının balistik performansının, aynı kat sayısındaki matrissiz bir yapıya göre %30 düşük olduğu kabul gören genel bir yaklaşımdır (Carr, 1999). Balistik darbenin çok katlı dokuma yapılarına etkisi, katlar arası açılma ile kompozit yapının dayanımı yönünden negatif şekilde olabilmekle birlikte, enerjinin dağıtılması yönünden olumludur. Tabakalı kompozitlerde, darbenin oluşumu ve meydana gelen hasar tabakaların yapısına, cinsine ve matrisin sünek davranışına bağlıdır. Rijit fiberlerin, esnek epoksi matris içinde olduğu karbon ve polietilen içeren hibrid yapılarla ilgili yapılan araştırmalarda en iyi balistik korumanın, her iki fiber tipinin ayrı ayrı tabakalar halinde içeren yapılarda olduğu görülmüştür (Larsson ve Svensson, 2002) Merminin özellikleri ve yapısı 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. Merminin hedefe penetrasyonu ve deformasyonu; merminin yapısal özelliklerine, uç geometrisine ve hızına, çekirdek malzemesi ve kaplama özelliklerine bağlıdır (Cheng-Kun ve Yu-Liang, 2010). 31

47 a. Mermi ağırlığı: Malzeme cinsine bağlı olarak merminin ağırlığı, çapının bir fonksiyonudur. Bir merminin kinetik enerjisi, merminin ağırlığı ile doğrusal orantılıdır (Rabb ve Fahrenthold, 2010). b. Mermi uç geometrisi: Kompozit yapının delinmesine etki eden en temel unsurların başında gelmektedir. Kevlar kumaşlarında yuvarlak uçlu mermilerin delik oluşturma kabiliyetinin iyi olduğu ve yuvarlak uçlu mermilerin sivri uçlu mermiler kadar hızlı durdurulamadığı gözlemlenmiştir. Özellikle yüksek hızlarda, merminin kütlesi ve geometrisinin darbe üzerinde etkisi artmaktadır. Polimer matrisli elyaf takviyeli yapılarda, küt uçlu mermilerin aynı balistik darbe hızlarında aynı kütledeki sivri uçlu mermilere göre hedefe momentum transferinin dört kat büyük olduğu ve hedefte daha büyük tahribat oluşturduğu, sivri uçlu mermilerin hedefi daha küçük çaplı deldiği görülmüştür (Jeng vd., 1992). Penetrasyon esnasında meydana gelen hasarın büyüklüğünü etkileyen mermi geometrisinin, perforasyon enerjisine de etkisi büyüktür. Keskin kenarlı mermiler yüksek hızlarda yapıyı esnetip uzatarak delmek yerine keserek delme eğilimindedirler. Düşük çarpma hızlarında koruyucu yapı geniş bir alanda buruşmaya ve gerilmeye uğrar, bu enerjinin dağıtılmasına yardımcı olur (Gellert vd., 2000). Yüksek hızlı darbede hasar bölgeseldir ve fiberler yeterli derecede enine yönde uzamadan delinme gerçekleşir. Yüksek hızlarda sivri uçtan küt uca gittikçe merminin yavaşlatılması daha kolay olmaktadır. Küt uçlu mermiler vuruş esnasında daha fazla iplik ile temas etmekte ve dolayısıyla enerji daha çabuk yayılmaktadır. Sivri uçlu ve konik uçlu mermiler ise daha az lifle temas ederek sıyrılacağından absorbe edilen enerjinin miktarı daha az olacaktır. Kevlar ve yüksek moleküler ağırlıklı polietilen malzemeler ile yapılan deneylerde, yüksek hızlardaki çarpmanın fiberleri makas gibi kestiği, yapının eridiği gözlenmiştir (Gellert vd., 2000). c. Çekirdek sertliği: Mermi çekirdekleri bakır, çelik vb. malzemeden kaplamasız olarak veya pirinç gövdeli ve bu gövdenin üzerine bakır, çelik alaşım vb. metal kaplamalı olarak da (FMJ) üretilmektedir. Kullanılma maksatlarına göre farklı alaşımlar kullanılarak imal edilen mermiler mevcuttur. Metal kaplamalı bir merminin polimer matrisli fiber takviyeli bir hedefe penetrasyon kabiliyeti kaplamasız bir 32

48 çekirdekten daha yüksek, ancak hedefin arkasında meydan getirdiği çöküntü miktarı daha düşüktür (Gower vd., 2008). d. Mermi hızı: Merminin hızı tehditin büyüklüğünü etkileyen en önemli parametredir. Mermi hızının karesi ile doğru orantılı olarak kinetik enerji dolayısıyla balistik koruyucu yapının mermiyi durdurmak için absorbe etmesi gereken enerji miktarı artar. Ayrıca merminin kütlesi arttıkça kinetik enerji artacak ve yine absorbe edilecek enerji artacaktır (Sutherland ve Soares, 1999). e. Mermi vuruş açısı: Namlu ve hedef arasındaki nişan hattı ile hedef normali arasındaki açıdır. Elyaf dokuma yapıların 60 lik vuruş açısındaki balistik direnci 90 deki balistik direncinden daha düşük iken, yüksek moleküler yoğunluklu polietilen yapılarda daha yüksektir (Cheng-Kun ve Yu-Liang, 2010) Yüksek hızlı darbenin oluşumu Balistik performans; malzemenin yüksek hızlı darbe bölgesindeki cevap karakteristiği ile ilişkili ve darbe esnasında absorbe edebildiği enerji ile orantılıdır. Malzeme kalınlığı da kimi durumlarda darbe esnasında absorbe edilen enerjiyi belirgin şekilde etkilemektedir. Polimer matrisli, özellikle de tekstil dokuma takviyeli kompozitler yüksek hızlı darbelere karşı korunmada yaygın olarak kullanılan; daha az kalınlıkta ve ağırlıkta yüksek kinetik enerjisi sönümleme kabiliyeti gösterebilen malzemelerdir (Hsieh vd.,1990; Zhu vd., 1992). Yüksek elastisite modülüne ve düşük yoğunluğa sahip malzemeler, enerjiyi darbe noktasından itibaren daha geniş alanlara dağıtarak, gerilme dalgasını çok daha hızlı yayar ve büyük şekil değiştirmelerin oluşmasını önlerler (Hearle, 2001). Çekme mukavemetinin, elastisite modülünün ve liflerin şekil değiştirme kopmaları balistik performans üzerinde önemli etkiye sahip olmakla birlikte, bunların her birinin etkileri ayrı ayrı test edilemeyip bir bütündür (Fatt ve Sirivolu, 2010). 33

49 Fiber takviyeli kompozit malzemelerin balistik performansının belirlenmesinde; takviye malzemesinin yapısal özellikleri veya dokumanın yapısı, matris mekanik özellikleri, tabakalı yapılarda tabaka sayısı ve sıralanışı, mermi geometrisi ve hızı gibi birçok faktör etkili olmaktadır. Merminin çarpması anında, darbenin olduğu noktadan başlayan ve merminin hızına bağlı olan ani şok dalgası meydana gelir. Mermi, enerjisinin büyük bir bölümünü şekil değiştirme ve kinetik enerji olarak doğrudan temas liflere aktarır. Bu lifler primer lifler olarak adlandırılmaktadır. Şok dalgasının etkisiyle balistik koruyucu dokumanın yapısında yüksek çekme gerilmesine, şekil değiştirmeye ve hasara uğrayan primer lifler önemli miktarda enerjiyi absorbe eder. Sekonder (ortogonal) lifler ise mermi ile doğrudan temas etmeyen liflerdir. Primer ve sekonder lifler Şekil da gösterilmiştir. Yüksek hızlı balistik darbe esnasında, hedefin arka yüzeyinde meydana gelen deformasyon konisinin büyüme hızı ile temasta olduğu merminin hızı ile aynıdır. Şekil a göre merminin uç kısmı ile temas eden ortadaki primer liflerde çekme gerilmeleri ve şekil değiştirmeler maksimum seviyededir. Bu liflerdeki gerilme ve deformasyon miktarı merminin ilerlemesiyle azalırken, bir sonraki tabakadaki primer liflerde artar. Merminin darbe noktasına ve dolayısı ile primer liflere de yakın olan ve şekil üzerinde A ile gösterilen bölgelerde sekonder liflerdeki gerilme, primer liflerdeki gerilmeye yakın seviyededir. Sekonder liflerdeki gerilme şekil üzerinde B olarak gösterilen konuma doğru darbe noktasından uzaklaşıldıkça azalır (Naik vd., 2006). Balistik koruyucu dokuma bir yapıda merminin kinetik enerjisinin yayılma hızı, lifler arasındaki bağlantı noktalarının ne kadar çok olduğuna bağlıdır. Bağlantı noktalarının çok olması enerjinin daha hızlı yayılarak lifler tarafından absorbe edilmesini sağlar. Merminin vuruş anından itibaren, balistik koruyucu yapının balistik dayanım sınırına kadar enerji transferi gerçekleşir. Mermi hızı balistik sınıra ulaştığında koruyucu yapının enerji absorbe yeteneği ortadan kalkar ve perforasyon meydana gelir (Yong vd., 2010) 34

50 mermi primer lifler sekonder/ ortogonal lifler Şekil Primer ve sekonder lifler (Naik vd., 2006) Balistik koruyucu özelliği olan elyaf bir malzemede, tek bir lif üzerinden balistik darbenin analitik incelenmesi yapılırsa; merminin life çarpmasıyla birlikte darbe noktasına doğru (enine) ve darbe noktasından içeri doğru (boyuna) şekil değiştirme dalgası akışı meydana gelir. Sistemin analitik açıklaması için aşağıdaki kabuller mevcuttur (Sutherland ve Soares, 2003): Mermi tam rijit elemandır ve balistik darbe esnasında deforme olmamaktadır Penetrasyonu esnasında mermi üniform hareket etmektedir Her bir tabakadaki fiberler müstakil hareket etmektedir Bütün tabakalarda aynı enine dalga ve boyuna dalga hızları söz konusudur Merminin hedefe penetrasyonu anında, primer lifler deforme olarak merminin enerjisini absorbe etmeye başlar ve matriste kırılma meydana gelir. Lif, darbe noktasından içeri doğru şekil değiştirir. Boyuna dalganın arka tarafında malzeme sabit hız ve şekil değiştirme miktarında darbe noktasına doğru akar. t zaman 35

51 aralığında koni formasyonunun kütlesi artarken hızı azalır. Meydana gelen koninin yüksekliği, merminin hedef içinde kat ettiği mesafe ile aynı olup, koni tabanının dışa doğru genişleme hızı primer liflerin enine dalga ilerleme hızı ile aynıdır. Mermiye karşı direnç gösteren primer liflerin tamamının kopması durumunda perforasfyon meydana gelir. Şekil ve Şekil de balistik darbe esnasında bir lifin enine ve boyuna hareketi gösterilmiştir (Naik vd., 2006; López vd., 2007). Şekil Bir lifin balistik darbeden önceki durumu (a) darbe altında enine-boyuna hareketi, (b-d) ve koni formasyonu (Naik vd., 2006) Şekil 2.12.Balistik darbe esnasında enine ve boyuna dalga hareketi (López vd., 2007) 36

52 Analitik olarak primer bir lifte meydana gelen koninin yüksekliği h, taban yarıçapı r, koni yüksekliğinin artış hızı V ve primer liflerde meydana gelen boyuna yönde şekil değiştirme dalgasının hızı c olarak Şekil de verilmiştir. r Şekil Analitik olarak primer bir lifte meydana gelen boyuna yönde şekil değiştirme dalgası Birim şekil değiştirme aşağıdaki denklemde verilmiştir: ε = h2 +r 2 R h ² (2.14) r h r oranı sabit kabul edilerek, enine yöndeki şekil değiştirme ve koni yüksekliğinin artış hızı arasında; h = r V c ² = 2ε (2.15) bağıntısı mevcuttur. 37

53 Bir reçine/elyaf sistemi için lif elastisite modülü (E) ile hacimsel yoğunluğu (ρ) ve reçine kütle oranı m r için koni büyüme hızı (primer liflerdeki boyuna dalga hızı); c = E ρ (1 m r) (2.16) denkleminde r=0 reçinesiz dokuma yapıyı, r=1 ise saf reçine durumunu ifade eder. (Walker, 2001) Primer liflerde meydana gelen boyuna yönde şekil değiştirme dalgasının hızı ne kadar yüksek olursa merminin çarpma enerjisi o kadar hızlı yayılır. Ayrıca yapı içindeki liflerin birbirleriyle bağlantıları sonucu, oluşan dalga diğer liflere iletilir. Boyuna elastik şekil değiştirme dalga hızı için ε=0 olur. Primer bir liflerdeki boyuna dalga hızı aşağıda verilmiştir: c = 1 ρ dσ dε ε =0 = E ρ (2.17) Yüksek elastisite modüllü ve düşük yoğunluklu yapıda olan lifler balistik koruma kapasitesine sahip lifler olup, bu denkleme göre; boyuna dalga hızı fiziksel olarak dokuma yapının hammaddesine ve konstrüksiyonuna bağlıdır. (2.17) denkleminde meydana gelen şekil değiştirme dalgası, plastik şekil değiştirme dalga hızında ise şekil değiştirme ε=ε p dir Enine yönde bir eğilmenin meydana geldiği primer lifler tarafından ortogonal lifler kumaş düzleminden dışarıya doğru çekilir. (Naik ve Shrirao, 2004);(Naik vd., 2006). Yüksek elastisite modülü ve düşük yoğunluğa sahip fiberler, darbe noktasından itibaren şekil değiştirme dalgalarını daha hızlı dağıtarak darbe enerjisinin daha geniş alanlara yayılmasını ve daha fazla enerji absorbe edilebilmesini sağlarlar. Bir fiber yapının balistik performansı için çekme, kopma, şekil değiştirme mukavemetleri ve elastisite modülü ayrı ayrı önem taşımakla birlikte, bu özelliklerin her birinin balistik performansa olan etkileri tek başına test edilememektedir (Reidb ve Zhou, 2000). 38

54 Merminin darbe etkisiyle fibere tatbik edilen kuvvet F ve lineer yoğunluk μ olarak boyuna dalga hızı aşağıda verilmiştir: c = F μ (2.18) Merminin kinetik enerjisinin büyük bir bölümü şekil değiştirme ve kinetik enerji olarak primer liflere transfer edilirken; ortogonal liflerin enerji absorbe etmeye olan katkıları azdır. Enerji transferi ile bağıntılı olarak da ortogonal lifin şekil değiştirme miktarı, primer lifin anlık şekil değiştirme miktarından fazla olmaz. Şekil de gösterildiği gibi bir t zaman aralığında merminin kat ettiği y mesafesi için, lineer elastik bir primer lifte meydana gelen boyuna şekil değiştirme dalgasının büyüklüğü sabittir. Lineer elastik bir lifte elastik dalganın arka tarafında ε olan şekil değiştirme dalganın ön tarafında sıfırdır. Merminin hedefe çarptığı andaki darbe hızı aşağıda verilmiştir: v = c 2ε ε(1 + ε) ε² (2.19) (2.19) Denkleminde, boyuna dalga hızı formülü yerine konulduğunda merminin darbe hızı ile lifin şekil değiştirmesi, elastisite modülü ve hacimsel yoğunluğu arasında 2ε ε(1 + ε) ε 2 = ρv2 E (2.20) bağıntısı elde edilir (Naik ve Shrirao, 2004);(Naik vd., 2006). 39

55 l Şekil Balistik darbenin bir lif üzerinde şematik gösterimi Darbe noktasından başlayarak yayılan enine dalganın yayılma hızı, boyuna dalga hızından bir mertebe daha düşüktür. Enine dalganın bağıl hızı diğer bir ifade ile merminin darbesi esnasında meydana gelen koninin taban genişleme hızı aşağıda verilmiştir: u = c ε = 3 1+ε cv2 2 (2.21) Enine dalga bağıl hızına göre deneysel enine dalga hızı aşağıda verilmiştir: u lab = c( ε(1 + ε) ε) (2.22) Darbe hattı ile lif arasındaki açı ise aşağıdadır: cos θ = 1 1+ε v u (2.23) Büyük koni taban açısının (γ, çökme açısı) meydana geldiği durumlarda, boyuna dalga ile darbe noktasına doğru olan fibril akışı koni bölgesindeki şekil değiştirmeyi azaltır. Koni taba açısındaki büyümeyi boyuna dalga sebebiyle olan fibril akışına kıyasla enine dalga ile olan koni yanal yüzeyindeki fibril akışı meydana getirir. Çökme açısındaki 40

56 artışı %80 oranında fibril akışı ve %20 oranında lif boyunun şekil değiştirmesi ile oluşturur. Çekme gerilmesinin etkisiyle lifin birim uzunluğunda depolanan enerji aşağıdaki şekilde ifade edilir: w = ε σσ (ε)dε (2.24) 0 Kesit alanı S f olan, sonsuz uzunluktaki bir lifte, balistik darbenin meydana gelmesiyle birlikte t zamanı sonundaki şekil değiştirme enerjisi aşağıdaki şekilde ifade edilir: ε W = S f c t σσ(ε)dε 0 (2.25) Şekil değiştirme değeri ε nin, ε max değerini aştığında (l u lab t), lifte kopma meydana gelir. Lifin kopma anındaki şekil değiştirme enerjisi aşağıda verilmiştir: W = ls f E(ε max ) 2 (2.26) Denklem (2.26) a göre lifin kesit alanı ve elastisite modülü, meydana gelen gerilmeyle orantılı olup, artan kesit alanı ve elastisite modülü ile daha fazla enerji absorbe edilebilir (Gu, 2003). Balistik darbe sonucu, darbe doğrultusundaki enine dalganın fibril akış hızı u m ve merminin ilerlemesi ile oluşan koninin taban genişleme hızı için Şekil de gösterilen fibril akışı sonucu lifte öteleme hareketi meydana gelir. Boyuna dalga ile meydana gelen fibril akışı A noktasını, enine dalganın sebep olduğu şekil değiştirme etkisini azaltarak B noktasına öteler (Naik vd., 2006). Şekil Fibril akışı sonucu bir lifte meydana gelen öteleme hareketi 41

57 Sonuç olarak balistik darbe etkisiyle bir fiberde meydana gelen şekil değiştirmenin denklemi aşağıda verilmiştir: ε = L 2 L 1 L 1 = 1 + u m u 2 + y u t 2 1 (2.27) Bir kumaş katmanı, düzenli olarak iç içe geçmiş atkı ve çözgü liflerinden oluşur. Balistik darbeye maruz kalan kumaş katında, merminin isabet noktasında primer lif sayısı aşağıda verilmiştir: N p = 2 D p d (2.28) Yukarıdaki analizde bir fiberdeki balistik darbe davranışı analitik olarak açıklanmıştır. Bir dokuma katındaki balistik darbe davranışı merminin vuruş noktasındaki fiberlerin davranışlarının toplam etkisidir. Her bir katmanda merminin enerjisi absorbe edilerek yayılır. Enerji transferi arka arkaya gelen katmanlarda yayılmaya devam eder. Böylelikle noktasal olarak başlayan şok darbesi balistik koruyucu yapının katmanlarına dağılarak etkisini kaybeder (Naik vd., 2006) Balistik darbe esnasında gerçekleşen enerji transferi Zırhın sönümlediği enerji, merminin zırhı delmek için harcadığı enerjiye eşittir. Merminin hedefi delip geçtiği durumlarda sönümlenen enerji miktarı, merminin çarpma anındaki enerjisinden hedefi delip geçtiği an sahip olduğu enerji çıkartılarak bulunur. Balistik limitin altındaki hızlar için merminin çarpma enerjisi doğrudan zırhın sönümlediği enerjiye eşittir (Dear ve Brown, 2003). Mermiden hedefe gerçekleşen enerji transferini etkileyen temel faktörler kompozit malzeme yönünden; takviye malzemesinin cinsi, yapısı, fiziksel özellikleri, matris cinsi, sürtünme, tabaka sayısı ve kalınlık, mermi yönünden ise; hız, uç geometrisi, malzeme cinsi, sertliği ve kütlesidir (Hazell ve Appleby, 2009). Şekil da çeşitli balistik elyaf cinslerinin dalga hızı - enerji sönümleme indeksi grafiği verilmiştir (Grujicic vd., 2009). 42

58 Dalga yayınım hızı (1000 m/sn) Enerji sönümleme indeksi Şekil Çeşitli balistik elyafların dalga hızı - enerji sönümleme indeksi Polimer matrisli - elyaf takviyeli bir yapıda enerji dengesi Yüksek hızlı balistik darbe esnasında mermi ve hedef arasındaki enerji transferi için üç durum söz konusudur: Merminin hedefi delerek belirli bir hızda çıktığı durum: Merminin kinetik enerjisi, hedefin sönümleyebileceği enerji miktarından fazladır. Merminin hedefe penetrasyonu: Hedefin enerji sönümleme kabiliyeti merminin kinetik enerjisinden daha fazladır. Merminin, hedeften çıkış hızı sıfır olacak şekilde hedefi tamamen delmesi (Grujicic vd., 2008). Bir merminin hedef üzerindeki etkisi, merminin kütlesine, enerjisine, hedefe vuruş açısına ve mermi ile zırh malzemesinin yapısına bağlıdır. Hedef ve mermi arasında enerji transferi için; Mermi deformasyonu için enerji harcanmadığı (Merminin rijit olduğu ve darbe esnasında deforme olmadığı) Lifler arasındaki sürtünme olmadığı 43

59 Hedef ve mermi arasında sürtünme kuvveti ile enerji kaybı olmadığı Hedefin kalınlığı boyunca merminin sebep olduğu hasar mekanizmasının eşit dağılımlı olduğu kabul edilir (Vasiliev ve Morozov, 2001). Bu kabullerle birlikte merminin kinetik enerjisindeki kayıp ( E k ); Primer liflerin absorbe ettiği enerji (E p ), sekonder liflerin deformasyonu sonucu absorbe edilen enerji (E S ) ve balistik darbe esnasında hedefin matris yapısının deformasyon, delaminasyon ve çatlaması sonucu oluşan koni formasyonu ile absorbe edilen enerji (E kf ), olmak üzere üç mekanizma tarafından yutulacaktır. Hedef ve mermi arasındaki enerji transferi ifadesi aşağıdaki eşitlikle özetlenebilir (Michelle vd., 2010) : ΔE k = E p + E S + E kf (2.29) a. Primer liflerin absorbe ettiği enerji (E p ): Merminin hedefi delmesine karşı direnci primer lifler gösterir. Meydana gelen şekil değiştirme miktarı sekonder liflerden daha yüksektir. Balistik darbenin meydana getirdiği gerilmelerin etkisi ile primer lifler, kopmalarına yol açan maksimum şekil değiştirme limitlerinin üzerine çıkarak mermi kinetik enerjisinin önemli bölümünü sönümler. Bu esnada Lif uzunluğu boyunca gerilmenin azaldığı kabul edilirse maksimum şekil değiştirme konsantrasyonu merminin sisteme temas ettiği nokta ve bunun çevresinde olur. Lifin çekme mukavemetini aşan gerilmelerde, maksimum şekil değiştirme miktarı aşılır ve bu noktalarda primer liflerlerde kopma meydana gelir. b. Sekonder liflerin deformasyonu sonucu absorbe edilen enerji (E S ): Merminin hedefe penetrasyonu esnasında meydana gelen konik oluşumda primer liflere ortogonal konumda bulunan sekonder lifler, primer liflerle birlikte deformasyona uğrar. Deformasyon sırasında sekonder liflerde meydana gelen gerilim dolayısı ile enerji sönümleme miktarı primer liflere oranla azdır. Sekonder liflerin enerji sönümlemesi elastik şekil değiştirme ve plastik şekil değiştirme ile gerçekleşir. Absorbe edilen enerji, sekonder liflerdeki şekil değiştirme dağılımına bağlı olup darbe noktasından uzaklaştıkça lineer olarak azalır. Hedef malzemede perforasyon meydana gelmemesi durumunda elastik şekil değiştirme enerjisi mermiye geri iletilir. 44

60 c. Matris yapısında deformasyon ve delaminasyon sonucu absorbe edilen enerji (E kf ): Balistik darbe esnasında enine ve boyuna yönde dalgalar meydana gelir. Enine dalga hedefin çıkış tarafında konik oluşum meydana getirir. İlk darbe esnasında liflerde kopma meydana gelmeden önce matris yapıda delaminasyon ve çatlama hasarı meydana gelir. Matris yapısı, sisteme mukavemet kazandırarak ve primer liflerdeki boyuna dalga hızına artış sağlayarak merminin kinetik enerjisinin sönümlenmesine katkıda bulunur (Bhatnagar, 2006). Bunlara ilave olarak merminin kinetik enerjisindeki kayıp; balistik yapıyı oluşturan lifin özellikleri, dokuma elyaflardaki dokumanın yapısı, mermi geometrisi vb. gibi birçok parametre ile açıklanabilir. Merminin kütlesi m p, kalan hızı V R ve V 50 balistik limit hız olmak üzere hedeften mermiye olan enerji transferi aşağıdaki denklem ile ifade edilir (Springler ve Kollar, 2003). E k = 1 m 2 p [v 2 v 2 R ] = 1 m 2 2 pv 50 (2.30) Tanım olarak balistik limit; bir hedef mermi ikilisi için hedefte tam penetrasyonun meydana geldiği ve mermi çıkış hızının (mermi kalan hızı) en küçük olduğu, maksimum mermi hızıdır. Dokuma elyaf yapılarda balistik limit sınırına kadar enerji absorbe edilir. Mermi hızının, sistem balistik limitini geçmeye başladığı andan itibaren dokuma elyaf yapının enerji absorbsiyonu diğer bir ifadeyle de merminin darbe esnasında oluşturduğu şok dalgası yayılma hızı süratle azalır. Şok dalgası vuruş noktasından itibaren çok az bir mesafeye yayılabilir (Lee vd., 2001) Tabakalı bir yapıda gerçekleşen enerji transferi Yüksek elastisite modülü ve düşük yoğunluğu olan dokuma elyaf yapılarda liflerdeki şekil değiştirme dalgalarının daha yüksek hıza sahip olması, kinetik enerjinin daha geniş alanlara yayılmasını sağlar ve darbe noktasında büyük şekil değiştirmelerin meydana gelmesini önler. Merminin çarpmasından itibaren her bir lif merminin enerjisini absorbe etmekte ve diğer liflere iletmektedir. Böylece çarpma enerjisi yayılarak diğer katmanlara iletilmekte ve darbe enerjisi azaltılmakta, sonuç olarak 45

61 mermi balistik koruyucu tarafından durdurulmaktadır (García, vd., 2003). Kompozit malzemenin enerji absorbe etmesi ve arkasına geçirdiği enerji miktarı balistik dayanımı belirlemede ölçü alınmaktadır. Yapı ağırlığına göre enerji sönümleme miktarı aşağıdaki gibi ifade edilir (Candan ve Akdemir, 2004): E Y = E K (J)/ Yapının ağırlığı (g/m 2 ) (2.31) Yüksek hızlardaki darbede esnasında dokuma olmayan ve polietilen fiberlerden imal edilen tabakalı kompozit malzemelerde sönümlenen enerji önemli ölçüde tabakaların alansal yoğunluğuna, fiberin hacimsel oranına ve mermi özelliklerine bağlıdır. Fiberin enerji absorbe etme karakteri, kompozit malzemenin balistik performansını belirler ve bu performans matris malzemesine çok daha az bağlıdır. Yüksek alansal yoğunluk ve fiber hacmine sahip kompozit malzemeler daha iyi balistik performansa sahiptir (Serge, 2007). Polimer matrisli elyaf tabakalı kompozit bir yapıda merminin kinetik enerjisini (E k ), darbe sonucu tabakalardaki kırılma (E c ), merminin çarptığı noktadaki lineer momentum transferi (E m ) ve çekme gerilmesi sonucu primer liflerdeki kopma (E f ) hasar mekanizmaları dengeler. Elastik şekil değiştirme ile absorbe edilen enerji, miktarının çok küçük olması sebebiyle analitik yaklaşımlarda ihmal edilmektedir. Belirtilen üç hasar mekanizması ve merminin kinetik enerjisi arasındaki denge aşağıda verilmiştir: -de k = de c + de m +de f (2.32) Hedefe çarptığı andaki konumu x=0 olmak üzere x+dx mesafe arasında merminin kaybettiği kinetik enerji: de k (x) = 1 2 m pd v 2 (x) (2.33) 46

62 a. Tabakalardaki kırılma sonucu absorbe edilen enerji (E c ): Merminin çarptığı anda tabakaları sıkıştırarak kırar. Merminin kesit alanı A(x) ve tabakanın sıkıştırma mukavemeti σ c olmak üzere tabakalardaki kırılma sonucu absorbe edilen enerji denklemi aşağıda verilmiştir: de c (x) = σσ c A(x)dx (2.34) b. Lineer momentum transferi sonucu absorbe edilen enerji (E m ): Merminin çarpması esnasında mermi ile aynı kesit alanına sahip malzeme merminin çarpma noktasından mermi ile aynı hızda kopar. Yapının hacimsel yoğunluğu ρ olmak üzere lineer momentum transferi sonucu absorbe edilen enerji denklemi aşağıda verilmiştir: de m (x) = 1 2 A(x)dx ρv2 (x) (2.35) c. Primer liflerdeki kopma sonucu absorbe edilen enerji (E f ): Tabakalardaki kırılmanın ardından çekme gerilmesine bağlı olarak fiberlerde kopma meydana gelir. Tabakanın çekme mukavemeti X f ve fiber kopma uzaması ε f, mermi yarıçapı r, olmak üzere primer liflerdeki kopma sonucu absorbe edilen enerji denklemleri aşağıda verilmiştir (Garcia-Castillo, vd. 2006) : de f = X f ε f (2r(x)) 2 dx (2.36) Kompozit plaka arka yüzeyinde çöküntü miktarı Polimer matrisli kompozit plakalar, içerisinde polimer barındırdığı için merminin penetrasyonu esnasında deforme olurken lineer olmayan bir özellik sergiler. Elastikplastik bir yapıdaki toplam şekil değiştirme miktarı aşağıda verilmiştir: x=x e +x p (2.37) 47

63 Elastik şekil değiştirme için elastik yay kuvveti aşağıda verilmiştir: F e =kx e (2.38) Plastik deformasyon esnasında etkiyen kuvvet sabit kabul edilerek aşağıdaki eşitlik verilmiştir: t 2 F p d c t dx p = (2.39) t 1 (2.39) denklemine göre plastik şekil değiştirme miktarı aşağıdadır: x p = F p t p c (2.40) (2.38) ve (2.40) denklemlerinden x e ve x p değerleri (2.37) denklemindeki yerlerine konularak: x = F e + F p t p k c (2.41) arka yüzey çöküntü miktarı elde edilir. Kompozit plakanın absorbe ettiği enerji, absorbe edilen elastik ve plastik enerjinin toplamına eşittir: U plaka = U e +U p = 1 2 F2 e + F p 2 t p k c (2.42) Yüksek darbe yükü altında, elastik-plastik malzeme davranışı için F e = F P = F dir. Kompozit plakadaki plastik enerjiyi bulmak için gerekli olan zaman, denklem (2.42) den çekilerek denklem (2.41) deki yerine konulduğunda kompozit plakadaki arka yüzey çöküntü miktarı aşağıdaki denklem olarak elde edilir (Çolakoğlu ve Soykasap, 2008): x = F k + 1 F U plaka 1 2 F 2 k (2.43) 48

64 Balistik darbe sonucu oluşan hasar şekilleri Polimer matrisli kompozit malzemeler genel olarak kırılgan yapıda olup, enerjiyi sadece elastik deformasyon ve bazı hasar mekanizmaları (matris kırılması, delaminasyon, fiber kırılması v.b) sayesinde absorbe edebilirler. Enerjiyi absorbe etmede plastik deformasyonun katkısı hemen hemen hiç yoktur (Patts, 2000). Tabakalı kompozit bir malzemenin enine yöndeki ve özellikle de darbe noktasına yakın tabakalarının elastik özelliği daha düşük olduğundan, en hassas olduğu gerilmeler düzlem dışına doğru olan (tabaka veya fibere dik) yüklemelerdir (Sheikh vd., 2009). Kompozit yapı ve mermi ikilsinin özelliklerine göre balistik darbe esnasında meydana gelen ve ön plana çıkan hasar tiplerinde farklılıklar olabilmektedir. Kompozit malzemelerin darbe yüklerine karşı göstermiş oldukları karmaşık cevap kompozit malzemeyi meydana getiren her bir bileşenin kendi özellikleri kadar yapısal konfigürasyonuna, balistik tehdide sebep veren cismin geometrisine, hızına ve kütlesine bağlıdır (Wambua, 2007). Balistik darbe esnasında tabakalı kompozit malzemelerde görülen hasar mekanizmaları kesme delinmesi, matris kırılması, delaminmasyon, fiber kırılması ve kopması, yarılma ve perforasyondur (Turan, 2003). Merminin hedefe çarpmasıyla birlikte, malzeme mermi altında sıkıştırılmakta ve oluşan çukur kısmında kalınlık boyunca meydana gelen kesme gerilmelerinden dolayı deformasyon oluşmaktadır. Yüksek darbe hızlarında meydana gelen ilk hasar şekli olan kesme delinmesi tabakalı kompozit yapılarda balistik darbe esnasında ilk birkaç tabaka katında görülebilir. Perforasyon durumunda darbe noktasında görülebilen ilk hasar şekli de kesme delinmesi ve bunu takiben fiberlerde ani kopmadır. Kesme delinmesi hasarının oluşumu mermi ucu geometrisine ve liflerin birim uzama miktarının kritik değerin üzerine çıkmasına bağladır (Karahan, 2008). Dokuma yapılarda kesme delinmesinin ardından merminin fiberleri kopma dayanımını aşana kadar zorlaması sonucunda fiber kopması ve ardından delaminasyon hasarı ortaya çıkar (Phoenix ve Porwal, 2003). Dokuma olmayan 49

65 tabakalı fiber yapılarda ise üst tabakalardaki merminin temas kenarlarında fiberlerde kesilme ve kopma, alt tabakalarda ise çekme gerilmesi zorlaması ve bu zorlama sonucu kopma meydana gelir (Grujicic vd., 2009). Şekil de tabakalı kompozit yapıda balistik darbe hasar şekilleri gösterilmiştir. (Ceyhun ve Turan, 2003). Matris kırılması delaminasyonun başlaması açısından gerekli bir faktördür. Matris kırılmaları çapraz kesme çatlaması ve eğilme çatlaması şeklinde 2 tip olup, her ikisi de delaminasyon için başlangıç mekanizmasıdır. Çapraz kesme çatlaması, darbe noktasının hemen dışındaki yakın çevresinde yaklaşık 45 açı yaparak meydana gelir. Meydana gelen bu açının sebebi tabakalar arası meydana gelen kayma gerilmesi ve enine normal gerilmelerin bileşke etkisidir. Düzlem içi gerilmelerin eğilmeye zorlaması sonucu tabakalı yapıların alt katmanlarda ise eğilme çatlamaları meydana gelir. Pratik uygulamalarda sistemden sisteme farklılık gösteren bu iki mekanizma birbiriyle iç içe durumdadır (Kumar vd., 2009). Matris Çatlaması Matris Çatlaması Delaminasyon Delaminasyon Fiber Kopması Perforasyon Şekil Kompozit yapıda balistik darbe hasar şekilleri (Karakan, 2008) Delaminasyon, kompozit malzemenin her bir katmanının ayrılmasıdır. Tabakalı yapılarda en belirgin enerji absorblama mekanizması olan delaminasyonlar, tabakalar arası ara yüzey bölgelerinde, aynı katman grubundaki tabakalar arasından daha 50

66 ziyade, farklı fiber oryantasyonlarına sahip tabakalar arasında meydana gelen bir hasar tipidir (Grujicic vd., 2006). Delaminasyonlar, tabakaların içyapısında veya arasında ya da malzemenin arka yüzeyinde meydana gelebilmektedir. Mermi, kompozit yapının içerisine nüfuz ederek tabaka kalınlığı boyunca ilerlerken malzemenin düşey yönde deformasyonu ile merminin altında kalan tabakaların arasında meydana gelen normal gerilmeler delaminasyon oluşumuna ve büyümesine neden olur. Ayrılma, her bir katman arasında bulunan ve katmanlar arası yüzey adı verilen ince matris malzemesi bölgesinde, genellikle matris malzemesindeki kırılmaların birbirleriyle kesiştiği noktalarda meydana gelir (Tan ve Ching, 2006). Malzeme arka yüzeyinde meydana gelen delaminasyon diğer bir tabir olarak bel verme (bulging) ele alınırsa; penetrasyon esnasında merminin önünde azalan malzeme kalınlığı, mermiye uygulanacak reaksiyon direncinin azalmasına, daha düşük bir dirençle tabakaların ayrılmasına ve bunun sonucunda tabakanın arka yüzeyinde delaminasyon oluşumuna neden olur. Tabakalı kompozit bir yapıda meydana gelen hasar şekilleri ile sönümlenen enerji miktarı arasındaki ilişki şematik olarak Şekil 2.18 de gösterilmiştir (Novotny vd., 2007). Şekil Tabakalı kompozit yapılarda hasar oluşumu - enerji sönümleme indeksi karşılaştırması (A) kesme gerilmesi, (B) fiber kopması, (C) delaminasyon 51

67 Tabakalı kompozit yapılarda, üretim yöntemine bağlı olarak yukarıda açıklanan balistik darbe sonucu oluşan hasar şekillerinin dışında karşılaşılan problem ise tabakaların arasında yeterli bağın oluşamamasıdır. El yatırma yönteminde elyaf katlarına yeterli reçine emiliminin sağlanamaması ve yeterli birleştirme basıncının tatbik edilememesi sonucunda tabakalar arası açılma, boşluk ortaya çıkar. Tabakları arasında yeterli bağın kurulabildiği yapılarda ilk tabaka darbeye maruz kaldığında merminin kinetik enerjisinde bir miktar sönümleme yaparak şok darbesini ikinci tabakaya aktarırken, takip eden tabakalarda meydana gelen enine dalgaların gelişimi arasında gecikme olmaz. Tabakalar arasında açılma olduğu durumda ise darbe esnasında ilk tabaka tam olarak darbe enerjisi absorbe edemeden sonraki tabakaya şok darbesini iletir. Şekil da tabakalar arası açılmanın, boşluğun fazla olduğu ve ihmal edilebilir olduğu durumlar şematik olarak gösterilmiştir (Phoenix ve Porwal, 2005). Şekil Tabakalı kompozit bir yapıda (a) tabakalar arası boşluğun fazla, (b) tabakalar arası boşluğun ihmal edilebilir olduğu durumlarda balistik darbe 52

68 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1 Kompozit Numunelerinin Üretimi Polimer matrisli kompozit malzemelerde, matris olarak kullanılan reçine miktarının artması veya azalması kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini önemli ölçüde etkiyen bir faktördür. Reçinenin uygulanma durumuna göre iki farklı üretim yöntemi vardır. Bunlar: pregreg ve reçine takviye (örneğin, elle yatırma) yöntemleridir. Prepreg yöntemde reçinenin elyaflara emdirilme işlemleri imalatçılar tarafından gerçekleştirilir ve kompozit malzeme yarı mamul olarak satışa sunulur. Reçine takviye yönteminde ise tamamen reçine üretim sırasında elyaflara emdirilir. Polimer matrisli kompozit malzemelerden ürün elde etmenin oldukça farklı yöntemleri vardır. Bunlar ürünün kullanılacağı yere ve simetrik ve dengeli malzeme elde etme talebine göre tercih edilirler. Seçilecek üretim yöntemi; takviye malzemesi (elyaf), matris malzeme (reçine), parça şekli ve istenen fiziksel özelliklere bağlı olarak değişim gösterir. Kullanılan reçine ve takviye malzemesine ilave olarak üretim yöntemi de bir kompozit yapının nihai özelliklerini belirlemede önemli rol oynar (Bhatnagar, 2006). Deneyler, Şekil 3.1. de gösterilen E-cam elyaf, para-aramid (Kevlar 129) ve polietilen (SB21) malzemelerin ikili ve üçlü kombinasyonlarının farklı kat adetlerinden oluşan takviyeler ile epoksi reçine matristen imal edilen hibrid numunelerin yapılan balistik testleri ve bu test sonuçlarının değerlendirilmesini içermektedir. Bu kapsamda toplam 12 adet numune oluşturulmuştur. Deneysel çalışmalarda kullanılan Kevlar 129 ve SB21 ülkemizde üretiminin mevcut olmaması sebebiyle tedarikçi firma kanalıyla sağlanmıştır. Diğer bir elyaf dokuma cinsi olan E-cam malzemesi ile epoksi reçine, numunelerin üretiminin yapıldığı ve İzmir de bulunan İzoreel Kompozit İzole Malzemeler San. ve Tic. Ltd. Şti. firmasından tedarik edilmiştir. Kevlar 129 ve SB21 tabakaları ile bu malzemelerin arasına yerleştirilen E-cam elyaf katlarına termoset epoksi reçinenin emdirilmesi elle yatırma yöntemiyle yapılmıştır. 53

69 Numunelerin hazırlanmasında kullanılan malzemelerden 0,22 mm kalınlığındaki E- cam elyafın alansal yoğunluğu 270 gr/m 2, 0,25 mm kalınlığındaki Kevlar 129 un alansal yoğunluğu 280 gr/m 2 ve 0,19 mm kalınlığındaki SB21 in alansal yoğunluğu 150 gr/m² dir. Yapılan deneysel çalışma kapsamında üretilen kompozit numunelerde matris malzemesi olarak Hexion Epikote 828 olan epoksi reçine kullanılmıştır. Hazırlanan numunelerin ölçüleri: 340x340 mm x mm dir. Şekil 3.1. Deneylerde kullanılan malzemeler; (a) Para-aramid elyaf dokuma (Kevlar129), (b) yüksek yoğunluklu yumuşak polietilen ( SB21), (c) Cam elyaf (E-cam) numuneleri Şekil 3.2. de verilen fotoğrafta gösterildiği gibi kesimi yapılan malzeme, el yatırma yöntemiyle tatbik edilen epoksi reçine uygulamasından sonra Şekil 3.3. de gösterilen fotoğraftaki kalıpla aşağıda detaylı açıklanan konfigürasyonlarda bir araya getirilmiş, her bir numune el presi ile ortalama 5-7 bar basınçla sıkıştırılarak 4 saat süreyle 130 C de kürleme işlemi yapılmıştır. Elle yatırma yöntemi düşük ve orta hacimli temas kalıplama olup yaygın olarak kullanılan en basit bir yöntemdir. Genellikle dokuma biçimindeki elyaflar dayanım kazandırmak için takviye elemanı olarak seçilir. Reçine tatbik edilmeden önce kalıptan parçanın kolay ayrılmasını sağlamak için polivinil alkol ve slikon karışımı kalıp yüzeyine uygulanır. Daha sonra her bir elyaf tabaka kalıp içerisine yerleştirilerek üzerine reçine emdirilir. Bu şekilde istenilen yön, doğrultu ve hacim oranlarında istenilen kalınlığa ulaşıncaya kadar işlem devam ettirilir. Daha sonra 54

70 reçine emdirilmiş malzeme oda sıcaklığı ve atmosferik basınç altında veya farklı sıcaklık ve basınçlar altında kurumaya bırakılır. Reçineler kumaşlara kat kat yedirilebildiği gibi kumaşın özelliklerine bağlı olarak çok katmana aynı anda da reçine sürülebilir. Bu yöntemde kullanılan elyaf hacim oranı sınırlı olup yaklaşık %30 civarındadır. Ancak elyaf hacim oranı gömülmüş elyaf kullanılarak artırılabilir. Bu durum malzeme özelliklerinin çok önemli olduğu yerlerde tercih edilir. Şekil 3.2. Kesilmiş E-cam, Kevlar 129 ve SB21 tabakaları Şekil 3.3. Kalıplama işlemi hazırlığı 55

71 Atış testleri yapılan numunelerden üçlü malzeme konfigürasyonunda olan toplam 6 adet numunenin arka yüzeyinde meydana gelen yarılma ve delaminasyon yükseklikleri BOSCH PCL10 Nivelman hizalama lazeri ile Şekil 3.4. de gösterildiği gibi ölçülmüş ve müteakiben atış noktalarındaki kesitleri alınmış, NIKON D80 dijital kamera ve (1:2) ϕ 72 mm makro lens ile bu kesitlerin fotoğrafları çekilmiştir. Şekil 3.4. BOSCH PCL10 Nivelman hizalama lazeri ile yarılma/ delaminasyon ölçümü 56

72 3.2 Kompozit Numunelerinin Konfigürasyonu Deneylerde kullanılan her bir fiber tabakası E-cam 10 kat, Kevlar kat, SB kat şeklinde ayrı ayrı olarak imal edilmiştir E-cam / Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler Şekil 3.5. deki fotoğraflarda gösterilen E-cam / Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numunelerin yapı şeması Şekil 3.6. da verilmiştir. Şekil 3.5. E-cam / Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler E cam-10 kat Kevlar /15/20 kat E cam-10 kat Kevlar /15/20 kat E cam-10 kat Şekil 3.6. E-cam / Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numunelerin yapı şeması 57

73 epoksi reçine a. [[(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 10 + (E-cam) 10 + (Kevlar 129) 10 + (E-cam) 10 ] 50 ] Numune Ağırlığı: 1800 gr Numune Kalınlığı: 10 mm Elyaf ağırlık yüzdesi= % 88 Elyaf hacim yüzdesi= % 79,32 Matris ağırlık yüzdesi= % 12 Matris hacim yüzdesi= % 20,68 epoksi reçine b. [[(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 15 + (E-cam) 10 + (Kevlar 129) 15 +(E-cam) 10 ] 60 ] Numune Ağırlığı: 2100 gr Numune Kalınlığı: 12 mm Elyaf ağırlık yüzdesi= % 90,8 Elyaf hacim yüzdesi= % 84,56 Matris ağırlık yüzdesi= % 9,2 Matris hacim yüzdesi= % 15,44 epoksi reçine c. [[(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 20 + (E-cam) 10 + (Kevlar 129) 20 + (E-cam) 10 ] 70 ] Numune Ağırlığı: 2350 gr Numune Kalınlığı: 14 mm Elyaf ağırlık yüzdesi= % 95 Elyaf hacim yüzdesi= % 91,53 Matris ağırlık yüzdesi= % 5 Matris hacim yüzdesi= % 8,47 58

74 3.2.2 E-cam / SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler Şekil 3.7. deki fotoğraflarda gösterilen E-cam / SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numunelerin yapı şeması Şekil 3.8. de verilmiştir. Şekil 3.7. E-cam /SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler E cam-10 kat SB21-10/15/20 kat E cam-10 kat SB21-10/15/20 kat E cam-10 kat Şekil 3.8. E-cam / SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numunelerin yapı şeması 59

75 epoksi reçine a. [[(E-cam) 10 + (SB21) 10 + (E-cam) 10 + (SB21) 10 + (E-cam) 10 ] 50 ] Numune Ağırlığı: 1650 gr Numune Kalınlığı: 10 mm Elyaf ağırlık yüzdesi= % 77,8 Elyaf hacim yüzdesi= % 67 Matris ağırlık yüzdesi= % 22,2 Matris hacim yüzdesi= % 33 epoksi reçine b. [[(E-cam) 10 + (SB21) 15 + (E-cam) 10 + (SB21) 15 + (E-cam) 10 ] 60 ] Numune Ağırlığı: 1900 gr Numune Kalınlığı: 13 mm Elyaf ağırlık yüzdesi= % 76,66 Elyaf hacim yüzdesi= % 67,45 Matris ağırlık yüzdesi= % 23,34 Matris hacim yüzdesi= % 32,55 epoksi reçine c. [[(E-cam) 10 + (SB21) 20 + (E-cam) 10 + (SB21) 20 + (E-cam) 10 ] 70 ] Numune Ağırlığı: 2100 gr Numune Kalınlığı: 15 mm Elyaf ağırlık yüzdesi= % 77,6 Elyaf hacim yüzdesi= % 70,19 Matris ağırlık yüzdesi= % 22,4 Matris hacim yüzdesi= % 29,81 60

76 3.2.3 E-cam/Kevlar 129/SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler Şekil 3.9. daki fotoğraflarda gösterilen E-cam / Kevlar 129/SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numunelerin yapı şeması Şekil da verilmiştir. Şekil 3.9. E-cam / Kevlar 129/SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler E cam-10 kat Kevlar /15/20 kat E cam-10 kat SB21-10/15/20 kat E cam-10 kat Şekil E-cam / Kevlar 129/SB21 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numunelerin yapı şeması 61

77 epoksi reçine a. [[(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 10 + (E-cam) 10 + (SB21) 10 + (E-cam) 10 ] 50 ] Numune Ağırlığı: 1700 gr Numune Kalınlığı: 10,5 mm Elyaf ağırlık yüzdesi= % 84,3 Elyaf hacim yüzdesi= % 74,75 Matris ağırlık yüzdesi= % 15,7 Matris hacim yüzdesi= % 25,15 epoksi reçine b. [(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 15 + (E-cam) 10 + (SB21) 15 + (E-cam) 10 ] 60 ] Numune Ağırlığı: 1950 gr Numune Kalınlığı: 12 mm Elyaf ağırlık yüzdesi= % 86,25 Elyaf hacim yüzdesi= % 78,75 Matris ağırlık yüzdesi= % 13,75 Matris hacim yüzdesi= % 21,25 epoksi reçine c. [[(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 20 + (E-cam) 10 + (SB21) 20 + (E-cam) 10 ] 70 ] Numune Ağırlığı: 2250 gr Numune Kalınlığı: 14 mm Elyaf ağırlık yüzdesi= % 85,8 Elyaf hacim yüzdesi= % 79,06 Matris ağırlık yüzdesi= % 14,2 Matris hacim yüzdesi= % 20,94 62

78 3.2.4 E-cam / SB21 / Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler Şekil deki fotoğraflarda gösterilen E-cam / SB21 / Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numunelerin yapı şeması Şekil de verilmiştir. Şekil E-cam / SB21/Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numuneler E cam-10 kat SB 21-10/15/20 kat E cam-10 kat Kevlar /15/20 kat E cam-10 kat Şekil E-cam /SB21/ Kevlar 129 tabakalı ve epoksi reçine matrisli numunelerin yapı şeması 63

79 epoksi reçine a. [[(E-cam) 10 + (SB21) 10 + (E-cam) 10 + (Kevlar 129) 10 + (E-cam) 10 ] 50 ] Numune Ağırlığı: 1700 gr Numune Kalınlığı: 10,5 mm Elyaf ağırlık yüzdesi= % 84,3 Elyaf hacim yüzdesi= % 74,75 Matris ağırlık yüzdesi= % 15,7 Matris hacim yüzdesi= % 25,15 epoksi reçine b. [[(E-cam) 10 + (SB21) 15 + (E-cam) 10 + (Kevlar 129) 15 + (E-cam) 10 ] 60 ] Numune Ağırlığı: 1950 gr Numune Kalınlığı: 12 mm Elyaf ağırlık yüzdesi= % 86,25 Elyaf hacim yüzdesi= % 78,75 Matris ağırlık yüzdesi= % 13,75 Matris hacim yüzdesi= % 21,25 epoksi reçine c. [[(E-cam) 10 + (SB21) 20 + (E-cam) 10 + (Kevlar 129) 20 + (E-cam) 10 ] 70 ] Numune Ağırlığı: 2250 gr Numune Kalınlığı: 14 mm Elyaf ağırlık yüzdesi= % 85,8 Elyaf hacim yüzdesi= % 79,06 Matris ağırlık yüzdesi= % 14,2 Matris hacim yüzdesi= % 20, SB21 numunesi [(SB21) 40 ] Numune Ağırlığı: 910 gr Numune Kalınlığı: 8 mm Numune ölçüleri: 400x400 mm 2 64

80 3.2.6 Kevlar 129 numunesi [(Kevlar 129) 40 ] Numune Ağırlığı: 745 gr Numune Kalınlığı: 6 mm Numune ölçüleri: 300x300 mm 2 Şekil de gösterilen Kevlar 129 numunesi herhangi bir bağlayıcı matris malzemesi kullanılmaksızın 40 kat malzemenin dikilmesi ile birleştirilmiştir. Şekil (a) (Kevlar 129) 40 numunesi ve (b) (SB21) 40 numunesi 3.3. Balistik Test Düzeneği Hafif silahlara karşı kullanılan zırhlar için balistik performansın ölçümünde iki ana tehdit göz önünde tutulmaktadır. Bunlardan birincisi parça tesirine karşı koruma diğeri ise mermi tesirine karşı korumadır. Mermiye karşı korumada NIJ standart değerleri referans olarak alınmıştır. Bu kapsamda Atış test sisteminin Şekil de prensip şeması ve Şekil de hedef sabitleme aparatı ile birlikte fotoğrafı verilmiştir. Test düzeneğinde bulunan Oehler Research Model ORM 55 hızölçer ile aralarında 1 m mesafe bulunan iki elektrik perdesi arasından geçiş süresi ölçülerek merminin hızı tespit edilmektedir. Testler esnasında sabit namlu ve lazer noktalama tertibatı kullanılarak mermilerin zırha dik olarak isabet etmesi sağlanmıştır. 65

81 Hedef Elektrik perdeleri Namlu/Lazer noktalama Hız ölçer Şekil Atış test düzeneği şematik gösterimi Şekil Atış test düzeneği ve numune sabitleme aparatı fotoğrafları Numune sabitleme aparatına yerleştirilen numuneye atış test düzeneği ile NIJ standardına göre yapılan atışların sırası ve hedef üzerindeki konumları Şekil de verilmiştir. 66

82 mm mm Şekil Hedef üzerindeki atış sıra ve konumları Balistik performans testi sırasında kullanılan macunun önceden şartlandırılması balistik performans testi sonrası oluşacak deformasyonun ölçümleri için gereklidir. Bu maksatla cam macunu 3 saat süre ile 22 C de (15 C< T < 30 C) şartlandırma dolabında tutulmuş, sonrasında içindeki boşluklar tamamen ortadan kaldırılacak şekilde sıkıştırılmıştır. Hazırlanan macunun kalınlığı 10 cm olup, balistik test için uygunluğunun belirlenebilmesindeki yöntem 44,5±0,5 mm çapında ve 1000±10 gr ağırlığında silindirik bir çelik parçanın, yarım küre şeklinde olan darbe ucu yere doğru gelecek şekilde 200±2 cm yükseklikten dik olarak bırakılmasıdır. Bunun sonucu olarak da cam macunu yüzeyi üzerinde meydana gelen çöküntü 25±3 mm olmalıdır. Bu şekilde üç adet düşürme testi yapılmış ve kriterlere uygun macun şartlandırılması sağlanmıştır (NIJ ). Hedef sabitleme aparatına yerleştirilen deney numunesi kompozit hedef malzemesinin ve şartlandırılmış cam macunu malzemenin şematik gösterimi Şekil de verilmiştir. 67

83 Deney numunesi nişan hattı referans noktası atış öncesi referans noktası Çöküntü miktarı atış sonrası Şekil Balistik test esnasında insan tenini simüle eden ve hedef zırh ve arkasına yerleştirilen şartlandırılmış dolgu maddesi Atış yapılan numuneler macunun ön tarafına gelecek şekilde sabitlenmiştir. Atışlar 5 m mesafeden plakaların ön yüzüne kenar noktalarından en az 50 mm uzakta, plaka üzerinde yer alan daha önceki bir vuruş noktasından veya bir delikten en az 80 mm uzakta olacak şekilde ve mermilerin barut imla hakları ayarlanarak değişik hızlarda yapılmıştır. Atışlar plaka yüzeyine dik gelecek şekilde 90±1 açı derecesi ile gerçekleştirilmiştir. Bu atışlar neticesinde farklı hızlarda meydana gelen deformasyon oluşan çöküntü miktarlarıyla ölçülmüştür. Balistik testlerde 9 mm pirinç gövdeli, bakır kaplamalı mermi kullanılmıştır. Kullanılan 9 mm merminin teknik özellikleri Çizelge 3.1. de, yapı resmi ve çekirdek ölçüleri Şekil 3.18 de verilmiştir. 68

84 Çizelge mm Standart mermi özellikleri Çekirdek çapı (mm) 9,08 Çekirdek ağırlığı (gr) 7,43 Kovan ağırlığı (gr) 3,80 Çekirdek uzunluğu (mm) 15,70 Standart Barut miktarı (gr) 0,41±0,005 Φ 9,00 0,25 R16 15,70 9,58 R25 Şekil mm mermi 69

85 3.4. Balistik Dayanım Değerlendirmesinde Kullanılan Kriterler Kompozit malzemelerin balistik darbe davranışının belirlenmesi için yapılan çalışmaların büyük bir bölümü deneysel çalışmaya dayanmaktadır. Tabakalı kompozit malzemelerin balistik özelliklerinin değerlendirmesinde kullanılan yöntemlerin tamamı malzemede oluşan deformasyonu veya delinme hasarını kapsar. Yapılan atışların sonuçları bu kapsamda değerlendirilir. İlk parametre merminin yapıyı delmediği, ikincisi ise delinmenin gerçekleştiği durumdur. İlk parametrede koruyucu vuruş hızı ve çöküntünün büyüklüğü birbiriyle ilişki kurularak balistik açıdan değerlendirilir. Bu konuda yapılmış çalışmalardan elde edilen verilerin büyük bir bölümü kompozit malzemenin değişik mermi tiplerine ve özelliklerine göre delinmeye karşı göstermiş olduğu dayanımla ilgilidir Balistik koruyucu ölçüm standardı Mermiye karşı korumada NIJ standardı referans olarak alınmıştır. Bu standarda göre mermiye karşı korumada balistik dayanım kriterinin ölçütü olarak atış yapılan numune arkasına yerleştirilen ve insanı simule eden macunun üzerinde meydana gelen çöküntü miktarının 44 mm nin altında olması gerekmektedir. Bu kapsamda yer alan TSE ve standartlar Çizelge 3.2 de verilmiştir. Çizelge 3.2. Çeşitli balistik koruyucu standartlar STANDART NO MIL-STD-662F NIJ-STD TS13348 TS13349 ISO EN STANDART ADI U.S. Army Ballistic Test For Armor Balistic Resistance of Personal Body Armor Kompozit hafif zırhlar ve deneyler Askeri Zırhlar- V 50 balistik hız deneyi Protective Clothing-Body Armor 70

86 Bu kapsamda Şekil daki resimde gösterilen ve bireysel korunma maksadıyla kullanılan kompozit yelek, kompozit başlık ve kalkan çanta gibi balistik koruyucu malzemelerin testleri yapılmaktadır. Şekil Muhtelif balistik koruyucu malzeme resimleri 71

87 Mevcut NIJ standardı ilk olarak 2000 yılında yayınlanmış, günümüze kadar gelişmelere ve ihtiyaçlara göre revize edilmiştir. Bu standart kapsamında balistik yelekler için piyade tüfeği ile tabanca mühimmatına karşı test yöntemleri, materyalleri verilmekte ve mühimmat tehdit seviyeleri I, IIA, II, IIIA, III, IV olarak sınıflandırılmaktadır. Balistik uygulamalarda 9 mm mühimmat için koruma seviyeleri aşağıda açıklanmıştır: a. Seviye II-A : Azami 322 m/s (1090 ft/s) veya daha düşük hızla etki eden 9 mm tam metal kaplama burunlu mermilere (FMJ RN) ve kütlesi 11.7 g (180 grain) olan ve 312 m/s (1025 ft/s) veya daha düşük hızla etki eden 40 S&W kalibre tam metal kaplama mermilere (FMJ) karşı koruma seviyesidir. b. Seviye II : Azami 358 m/s (1175 ft/s) veya daha düşük hızla etki eden 9 mm tam metal kaplama burunlu mermilere (FMJ RN) ve kütlesi 10.2 g (158 grain) olan ve 427 m/s (1400 ft/s) veya daha düşük hızla etki eden 357 Magnum yumuşak nokta kaplama mermilere (JSP) karşı koruma seviyesidir. c. Seviye III-A : Azami 427 m/s (1400 ft/s) veya daha düşük hızla etki eden 9 mm tam metal kaplama burunlu mermilere (FMJ RN) ve kütlesi 15.6 g (240 grain) olan ve 427 m/s (1400 ft/s) veya daha düşük hızla etki eden 44 Magnum kaplama çukur nokta mermilere (JHP) karşı koruma seviyesidir. 72

88 4. ARAŞTIRMA BULGULARI 4.1. E-cam / Kevlar 129 Elyaf Tabakalı Epoksi Reçine Matrisli Numuneler epoksi reçine a. [[(E-cam) 10 +(Kevlar 129) 10 +(E-cam) 10 +(Kevlar 129) 10 +(E-cam) 10 ] 50 ] Şekil 4.1. deki fotoğraflarda atış testleri yapılan epoksi reçine matrisli, E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10x2 kat) takviyeli numune gösterilmiş ve Çizelge 4.1. de yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri verilmiştir. Şekil 4.1. Atış testleri yapılan E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10x2 kat) numunesi Çizelge 4.1. E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10x2 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Atış Çöküntü v m (m/s) E K (Nm) No Derinliği (mm) Değerlendirme DELİNME Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok 73

89 Mermi hızı 414 m/sn olarak ölçülen 1 nolu atış perforasyonla sonuçlanmış olup, sonraki takip eden sıralı atışlarda düşük barut miktarlı mermiler kullanılmış ve 290 m/sn ile 360 m/sn skalası arasında atışlar yapılmıştır. 1 nolu atış hariç diğer atışlar göz önüne alındığında ortalama 313 m/sn atış hızına karşılık ortalama çöküntü değeri 13,2 mm dir. Deneylerden elde edilen çöküntü değerlerinin, artan mermi hızları ile arttığı gözlemlenmiştir. Sistemin balistik limitinin 414 m/sn ile 357 m/sn aralığında olduğu değerlendirilmektedir. Şekil 4.2. de mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil 4.3. de kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir. çöküntü (mm) DELİNME mermi hızı (m/sn) Şekil 4.2. Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği çöküntü (mm) DELİNME kinetik enerji (Nm) Şekil 4.3. Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği 74

90 epoksi reçine b. [[(E-cam) 10 +(Kevlar 129) 15 +(E-cam) 10 +(Kevlar 129) 15 +(E-cam) 10 ] 60 ] Şekil 4.4. deki fotoğraflarda atış testleri yapılan epoksi reçine matrisli, E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15x2 kat) takviyeli numune gösterilmiş ve Çizelge 4.2. de yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri verilmiştir. Şekil 4.4. Atış testleri yapılan E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15x2 kat) numunesi Çizelge 4.2. E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15x2 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Atış Çöküntü v m (m/s) E K (Nm) No Derinliği (mm) Değerlendirme Delinme Yok Delinme Yok DELİNME Delinme Yok Delinme Yok DELİNME Mermi hızı 445 m/sn olarak ölçülen 3 nolu atış ve 439 m/sn olarak ölçülen 6 nolu atışlar perforasyonla sonuçlanmıştır. Perforasyonun meydana gelmediği atışlar göz 75

91 önüne alındığında ortalama 422 m/sn atış hızına karşılık ortalama çöküntü değeri 20,5 mm dir. 3 ve 6 nolu atışlar dışındaki atışlarda sistemde elde edilen çöküntü değerlerinin, artan mermi hızları ile arttığı gözlemlenmiştir. 437 m/sn mermi hızında yapılan ve 23 mm çöküntü değeri ölçülen 4 nolu atış ile 439 m/sn mermi hızında yapılan ve perforasyon meydana gelen 6 nolu atış göz önüne alındığında sistem balistik limiti yaklaşık 440 m/sn dir. Şekil 4.5. de mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil 4.6. da kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir çöküntü (mm) DELİNME DELİNME mermi hızı (m/sn) Şekil 4.5. Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği çöküntü (mm) DELİNME DELİNME kinetik enerji (Nm) Şekil 4.6. Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği 76

92 epoksi reçine c. [[(E-cam) 10 +(Kevlar 129) 20 +(E-cam) 10 +(Kevlar 129) 20 +(E-cam) 10 ] 70 ] Şekil 4.7. deki fotoğraflarda atış testleri yapılan epoksi reçine matrisli, E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20x2 kat) takviyeli numune gösterilmiş ve Çizelge 4.3. de yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri verilmiştir. Şekil 4.7. Atış testleri yapılan E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20x2 kat) numunesi Çizelge 4.3. E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20x2 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Atış Çöküntü v m (m/s) E K (Nm) No Derinliği (mm) Değerlendirme Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok DELİNME Perforasyonun meydana gelmediği 6 nolu atış hariç diğer atışlar göz önüne alındığında ortalama 439 m/sn atış hızına karşılık ortalama çöküntü değeri 19,2 77

93 mm dir. İlk 5 atış için sistemde elde edilen çöküntü değerlerinin, artan mermi hızları ile arttığı gözlemlenmiştir. Yapılan ilk 5 sıralı atış sonunda sistem matris yapısında meydana gelen bozulmanın sonucu 442 m/sn mermi hızında yapılan 6 nolu atışta perforasyonun meydana geldiği değerlindirilmiştir. Şekil 4.8. de mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil 4.9. da kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir çöküntü (mm) DELİNME mermi hızı (m/sn) Şekil 4.8. Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği çöküntü (mm) DELİNME kinetik enerji (Nm) Şekil 4.9. Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği 78

94 4.2. E-cam / SB21 Elyaf Tabakalı Epoksi Reçine Matrisli Numuneler epoksi reçine a. [[(E-cam) 10 + (SB21) 10 + (E-cam) 10 + (SB21) 10 + (E-cam) 10 ] 50 ] Şekil daki fotoğraflarda atış testleri yapılan epoksi reçine matrisli, E-cam (10x3 kat)/ SB21 (20x2 kat) takviyeli numune gösterilmiş ve Çizelge 4.4. de yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri verilmiştir. Şekil Atış testleri yapılan E-cam (10x3 kat)/ SB21 (10x2 kat) numunesi Çizelge 4.4. E-cam (10x3 kat)/ SB21 (10x2 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Atış Çöküntü v m (m/s) E K (Nm) No Derinliği (mm) Değerlendirme DELİNME DELİNME Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok 79

95 Perforasyonun meydana geldiği 1 ve 2 nolu atış hariç diğer atışlar için ortalama 323 m/sn atış hızına karşılık ortalama çöküntü değeri 16,25 mm olup, çöküntü değerleri tutarlı olsa da mermi hızları ile paralellik göstermemektedir. Bunun sebebi; numunenin üretim metodu olan el yatırma yöntemi ve el presi tekniğinde bölgesel olarak yeterli reçine emiliminin olmaması ve oluşan bölgesel basınç farklılıkları sonucu yapılan ilk 2 atış sonunda sistem matris yapısının bozulması olarak değerlendirilmektedir. Şekil de mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil de kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir. çöküntü (mm) DELİNME DELİNME mermi hızı (m/sn) Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği çöküntü (mm) DELİNME DELİNME kinetik enerji (Nm) Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği 80

96 epoksi reçine b. [[(E-cam) 10 + (SB21) 15 + (E-cam) 10 + (SB21) 15 + (E-cam) 10 ] 60 ] Şekil deki fotoğraflarda atış testleri yapılan epoksi reçine matrisli, E-cam (10x3 kat)/ SB21 (15x2 kat) takviyeli numune gösterilmiş ve Çizelge 4.5. de yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri verilmiştir. Şekil Atış testleri yapılan E-cam (10x3 kat)/ SB21 (15x2 kat) numunesi Çizelge 4.5. E-cam (10x3 kat)/ SB21 (15x2 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Atış Çöküntü v m (m/s) E K (Nm) No Derinliği (mm) Değerlendirme DELİNME Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Perforasyonun meydana geldiği 1 nolu atış hariç diğer atışlar göz önüne alındığında ortalama 440 m/sn atış hızı için ortalama çöküntü değeri 23,2 mm dir. 1 nolu atış dışında sistemde elde edilen çöküntü değerlerinin, artan mermi hızları ile arttığı 81

97 gözlemlenmiştir. 3 ve 6 nolu atışlarla aynı hızda olan 1 nolu atışta perforasyon meydana gelmesinin sebebi; numunenin üretim metodu olan el yatırma yöntemi ve el presi tekniğinde bölgesel olarak yeterli reçine emiliminin olmaması ve oluşan bölgesel basınç farklılıkları sonucu yapısal bütünlüğün sağlanamaması olarak değerlendirilmektedir. 1 nolu atış göz önüne alınmadığında diğer atışlar için sistem koruma seviyesi NIJ II varsayılabilir. Şekil de mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil de kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir çöküntü (mm) DELİNME mermi hızı (m/sn) 451 Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği çöküntü (mm) DELİNME kinetik enerj (Nm) 756 Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği 82

98 epoksi reçine c. [[(E-cam) 10 + (SB21) 20 + (E-cam) 10 + (SB21) 20 + (E-cam) 10 ] 70 ] Şekil daki fotoğraflarda atış testleri yapılan epoksi reçine matrisli, E-cam (10x3 kat)/ SB21 (20x2 kat) takviyeli numune gösterilmiş ve Çizelge 4.6. da yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri verilmiştir. Şekil Atış testleri yapılan E-cam (10x3 kat)/ SB21 (20x2 kat) numunesi Çizelge 4.6. E-cam (10x3 kat)/ SB21 (20x2 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Atış Çöküntü v m (m/s) E K (Nm) No Derinliği (mm) Değerlendirme Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok 83

99 Yapılan sıralı atışlarda perforasyon meydana gelmemiştir. Sistemin ortalama 439 m/sn atış hızına karşılık ortalama çöküntü değeri 25,7 mm dir. Sistemde elde edilen çöküntü değerlerinin, artan mermi hızları ile arttığı gözlemlenmiştir. Sıralı atışlar göz önüne alındığında sistem koruma seviyesi NIJ IIIA varsayılabilir. Şekil de mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil de kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir. çöküntü (mm) 27 26, , , , , mermi hızı (m/sn) Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği çöküntü (mm) 27 26, , , , , kinetik enerji (Nm) Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği 84

100 4.3 E-cam/Kevlar 129/SB21 Elyaf Tabakalı Epoksi Reçine Matrisli Numuneler epoksi reçine a. [[(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 10 + (E-cam) 10 + (SB21) 10 + (E-cam) 10 ] 50 ] Şekil da C 1-1 olarak numaralandırılan ve atış testleri yapılan epoksi reçine matrisli ve E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10 kat)/ SB21(10 kat) takviyeli numune gösterilmiş, Çizelge 4.7. de yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri verilmiştir. Şekil Atış testleri yapılan E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10 kat)/ SB21 (10 kat) numunesi Sistem incelendiğinde; 2 ve 4 nolu atışlar dışındaki diğer atışların perforasyonla sonuçlandığı görülmektedir. Üretim metodu olan el yatırma yöntemi ve el presi tekniğinde malzemenin üretimi esnasında bölgesel olarak yeterli reçine emiliminin olmaması veya presleme esnasında oluşan bölgesel baskı farklılıkları sebebiyle 3 nolu atışta perforasyon meydana gelmiş ve buna ilave olarak ilk dört atışa müteakiben epoksi matrisin malzeme kalınlığı yönünde yüksek derecede deformasyona uğraması sebebiyle 6 nolu atışta perforasyonla sonuçlanmıştır. Bu tehdit seviyesinde aynı bölge içerisindeki çoklu atışlar balistik performansı olumsuz yönde etkilemiştir. 85

101 Çizelge 4.7. E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10 kat)/ SB21 (10 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Atış No v m (m/s) Çöküntü Yarılma/ Yarılma/ E K (Nm) Derinliği Delaminasyon Delaminasyon Değerlendirme (mm) Yüksekliği (mm) Çapı (mm) ,021-7,32 40 DELİNME , ,44 45 Delinme Yok ,815-5,65 40 DELİNME , ,40 45 Delinme Yok ,721-6,84 40 DELİNME ,815-5,57 40 DELİNME Şekil de mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil de kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir. 25 çöküntü (mm) DELİNME DELİNME DELİNME DELİNME mermi hızı (m/sn) 425 Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği 86

102 25 çöküntü (mm) DELİNME DELİNME DELİNME DELİNME kinetik enerji (Nm) 671 Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Şekil da fotoğrafı verilen numunenin arka yüzeyi incelendiğinde; E-cam tabakasında, perforasyonun meydana geldiği darbe noktasının merkezde bulunduğu, birbirine dik konumda yarılmalar olduğu görülmüştür. Perforasyonun meydana geldiği nolu atışların tamamında bahse konu yarılmaların hem yatay ve hem de düşeyde yaklaşık olarak eşit ve yaklaşık 40 mm uzunluğunda oldukları belirlenmiştir. Penetrasyonun meydana gelmediği 2 ve 4 nolu atışlarda, kinetik enerjinin absorbe edilmesi sonucu, perforasyonun söz konusu olduğu atışlara göre yatay konumdaki yarılmaların daha uzun olduğu değerlendirilmiştir. Bu atışlarda da E-cam tabakasında meydana gelen yarılmaların atış hattına dik konumda, perforasyonun meydana geldiği atışlardaki gibi yaklaşık 40 mm uzunluğunda olduğu, yatay konumdaki yarılmaların ise her iki hasar bölgesinde de yaklaşık 45 mm uzunluğunda olduğu belirlenmiştir. 2 ve 4 atış noktalarında SB21 tabakasının perforasyona çok yaklaştığı dikkate alındığında; özellikle atış sırasına göre 416 m/sn mermi hızı olan 2 nolu atışın balistik limite yakın bir hız olduğu değerlendirilmiştir. Perforasyon meydana gelen atışlar dahil, yapılan atışların hız ortalaması 417 m/sn ve buna karşılık yarılma/ delaminasyon yüksekliklerinin ortalaması 6 mm dir. 87

103 Perforasyon meydana gelmeyen atışlar için, atış hızı ortalaması 413 m/sn ve buna karşılık gelen yarılma/ delaminasyon yüksekliklerinin ortalaması 5,42 mm dir. Numunenin atış noktalarının kesitleri incelendiğinde; Sıralı atışlar içinde en yüksek mermi hızı olan ve perforasyon meydana gelen 1 nolu atışa ait malzeme kesitinin fotoğrafları Şekil de verilmiştir. Atış sonucu perforasyon meydana gelmekle birlikte çekirdek tamamen parçalanmış ve bir parçası SB21 tabakası içinde kalmıştır. Çekirdeğin hedefe darbe yaptığı bölgede E-cam ve Kevlar 129 tabakalarındaki fiberlerde ani kopma meydana gelmiştir. Kevlar 129 ve takip eden E-cam tabakalarının arasında çekirdek kaplaması parçalanmıştır. SB21 ile en alt tabaka olan sonraki E-cam tabakalarında fiberlerde kopma ve perforasyon bölgesinde delamimasyon meydana gelmiştir. Şekil deki fotoğraflarda 2 nolu atışa ait malzeme kesiti görülmektedir. Çekirdeğin hedefe darbe yaptığı bölgede E-cam ve Kevlar 129 tabakalarındaki fiberlerde ani kopma meydana gelmiştir. Perforasyon meydana gelmeyen bu atışta çekirdek kaplaması Kevlar 129 dan sonraki E-cam tabakasında parçalanmış, çekirdek ise SB21 tabakası tam olarak delinmeden deforme olmuş ve durdurulmuştur. Kompozit plakanın el presi yöntemiyle üretiminde tabakalar arasında yeterli birleştirme basıncının oluşturulamaması ve darbenin de etkisiyle SB21 tabakası ve E-cam tabakaları arasında açılma meydana gelmiştir. Kopma meydana gelmeyen SB21 katları ile altındaki E-cam tabakasında delaminasyon oluşmuştur. Şekil de 3 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları görülmektedir. Çekirdeğin hedefe darbe yaptığı bölgede, E-cam ve Kevlar 129 tabakalarındaki fiberlerde ani kopma meydana gelmiştir. Perforasyon meydana gelen bu atışta çekirdek parçalanmış ve bir parçası E-cam ve SB21 tabakası arasında kalmıştır. Çekirdek kaplaması da panel kesiti boyunca parçalanmıştır. Darbenin etkisiyle Kevlar 129 dan sonraki E-cam tabakası ve 88

104 bunu takip eden sıralı katmanlarda perforasyon bölgesinde delaminasyon meydana gelmiştir. Şekil de sıralı atışlar içinde en düşük mermi hızı ile yapılmış olan 4 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları görülmektedir. Perforasyonun meydana gelmediği bu atışta deforme olan çekirdek fiber kopmasının büyük ölçüde meydana geldiği SB21 tabakasında durdurulmuştur. Çekirdeğin hedefe darbe yaptığı bölgede E-cam ve Kevlar 129 tabakalarındaki fiberlerde ani kopma meydana gelmiştir. Tehdit engellenmiş ancak zırh sisteminin üretim yöntemine bağlı sebepler, SB21 malzemesinin yapısal olarak daha az reçine emilimi sağlaması ve balistik darbenin etkisi sonucu SB21 tabakası ve bir önceki E-cam tabakaları arasında açılma meydana gelmiştir. En son E- cam tabakasında darbe şoku ve meydana gelen büyük delaminayon etkisiyle darbe noktasındaki fiberlerde kopma meydana gelmiştir. Şekil da 5 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları görülmektedir. Perforasyonun meydana geldiği bu atışta çekirdek ve çekirdek kaplaması parçalanmış, çekirdek kaplaması panel kesiti boyunca yayılmıştır. Şekil de 6 nolu atışa ait kesit fotoğrafından görüleceği üzere çekirdeğin hedefe darbe yaptığı bölgede atış sonucu perforasyon meydana gelmiş ancak çekirdek ve çekirdek kaplaması parçalanmış, çekirdek kaplaması panel kesiti boyunca yayılmıştır. 89

105 çekirdek kaplaması parçası fiber kopması delaminasyon (a) parçalanmış çekirdek parçası fiber kopması (b) fiber kopması delaminasyon çekirdek kaplaması parçaları Şekil (a), (b) C 1-1 numunesinde 1 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 90

106 tabakalar arası ayrılma deforme olmuş çekirdek fiber kopması tabakalar arası ayrılma (a) delaminasyon delaminasyon tabakalar arası ayrılma çekirdek kaplaması tabakalar arası ayrılma (b) deforme olmuş çekirdek Şekil (a), (b) C 1-1 numunesinde 2 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 91

107 çekirdek kaplaması parçası (a) fiber kopması delaminasyon fiber kopması (b) çekirdek parçası çekirdek kaplaması delaminasyon Şekil (a), (b) C 1-1 numunesinde 3 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 92

108 fiber kopması tabakalar arası ayrılma (a) Deforme olmuş çekirdek delaminasyon çekirdek kaplaması parçası tabakalar arası ayrılma (b) fiber kırılması ve delaminasyon deforme olmuş çekirdek Şekil (a), (b) C 1-1 numunesinde 4 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 93

109 çekirdek kaplaması (a) delaminasyon fiber kopması fiber kopması (b) delaminasyon çekirdek kaplaması Şekil (a), (b) C 1-1 numunesinde 5 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 94

110 fiber kopması çekirdek kaplaması parçası (a) delaminasyon delaminasyon (b) çekirdek kaplaması parçası fiber kopması Şekil (a), (b) C 1-1 numunesinde 6 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 95

111 epoksi reçine b. [(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 15 + (E-cam) 10 + (SB21) 15 + (E-cam) 10 ] 60 ] Şekil de C 2-1 olarak numaralandırılan ve atış testleri yapılan epoksi reçine matrisli E-cam (10x3 kat)/kevlar 129 (15 kat)/sb21 (15 kat) takviyeli numune gösterilmiş, Çizelge 4.8. de yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri verilmiştir. Şekil Atış testleri yapılan E-cam (10x3 kat)/kevlar 129 (15 kat)/sb21 (15 kat) numunesi Çizelge 4.8. E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/ SB21 (15 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Atış No v m (m/s) Çöküntü Yarılma/ Yarılma/ E K (Nm) Derinliği Delaminasyon Delaminasyon Değerlendirme (mm) Yüksekliği (mm) Çapı (mm) ,14 35 Delinme Yok ,45 30 Delinme Yok ,75 25 Delinme Yok ,97 35 Delinme Yok ,93 40 Delinme Yok ,54 35 Delinme Yok 96

112 Sistemde atışların ortalama çöküntü değeri 20 mm olarak hesaplanmıştır. Perforasyon olmaksızın elde edilen çöküntü değerleri sistemin balistik limit sınırları içinde kaldığını göstermektedir. 6 nolu atış hariç deneylerden elde edilen çöküntü değerlerinin, artan mermi hızları ile arttığı gözlemlenmiştir. 6 nolu atışta ise mermi hızına göre çöküntü değeri diğer atışlarda görülen dışına çıkmıştır. Şekil de verilen fotoğrafta numunenin ön ve arka yüzeyleri incelendiğinde; Ön yüzeyde, düşey olarak aynı hizada bulunan nolu atışlara ait delikler çevresinde ve yine aynı hizada bulunan nolu atışlara ait delikler çevresinde düzgün olmayan eğrisel alanlar şeklinde renk açılması ortaya çıktığı görülmüştür. (1 nolu atış çevresinde ortalama 41 mm yarıçapında, 3 nolu atış çevresinde ortalama 37 mm yarıçapında, 5 nolu atış çevresinde ortalama 47 mm yarıçapında, 4 nolu atış çevresinde ortalama 43 mm yarıçapında, 6 nolu atış çevresinde ortalama 35 mm yarıçapında, 2 nolu atış çevresinde ortalama 45 mm yarıçapında) Arka yüzeyde, penetrasyon noktalarının merkezde bulunduğu, birbirine dik konumda yarılmalar olduğu ve yine bu noktaların merkezlediği yarılmalar meydana geldiği görülmüştür. Atış hızlarına göre, diğer bir ifadeyle merminin kinetik enerjisine göre arka yüzeyde meydana gelen hasar büyüklükleri ile hedefte meydana gelen çöküntü değerleri ile paralellik göstermektedir. Yapılan atışların hız ortalaması 425,3 m/sn ve buna karşılık yarılma/ delaminasyon yüksekliklerinin ortalaması 4,3 mm dir. Şekil da mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil da kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir. 97

113 çöküntü (mm) mermi hızı (m/sn) Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği çöküntü (mm) kinetik enerji (Nm) Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Numunenin atış noktalarının kesitleri incelendiğinde; Şekil de 1 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları görülmektedir. Çekirdeğin hedefe darbe yaptığı bölgede E-cam ve Kevlar 129 tabakalarındaki fiberlerde ani kopma meydana gelmiştir. deforme olmuş çekirdek, Kevlar 129 un altındaki E-cam tabakasında durdurulmuştur. Darbenin etkisiyle, Kevlar 129 ve SB21 arasındaki E-cam tabakasının her iki tarafında tabaklar arası açılma meydana gelmiştir. 98

114 Şekil de 2 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları görülmektedir. Bu atışta da deforme olmuş çekirdek, Kevlar 129 un altındaki E-cam tabakasında durdurulmuştur. Tehdit engellenmiş ancak zırh sisteminin üretim yöntemine bağlı sebepler, SB21 malzemesinin yapısal olarak daha az reçine emilimi sağlaması ve balistik darbenin etkisi sonucu SB21 tabakası ve bir önceki E-cam tabakaları arasında açılma meydana gelmiştir. En son E-cam tabakasında darbe şoku ve meydana gelen büyük delaminasyon etkisiyle darbe noktasındaki fiberlerde kopma meydana gelmiştir. Şekil 4.43 de malzeme kesiti fotoğrafları verilen ve yapılan sıralı atışlar içinde en düşük mermi hızı ile yapılmış olan 3 nolu atışta 1 nolu atışla benzer sonuçlar elde edilmiştir nolu atışlarda Kevlar 129 ve SB 21 arasında bulunan E-cam tabakasında tamamen fiberlerin koptuğu ancak çekirdeğin SB 21 tabakasına penetre olamadığı görülmüştür. Şekil 4.35 de malzeme kesiti fotoğrafları verilen ve sisteme yapılan sıralı atışlar içinde en yüksek mermi hızı olan 5 nolu atıştır. 5 nolu atışla birlikte 4 ve 6 nolu atışlarda çekirdeğin SB 21 tabakasına çok düşük seviyede penetre olduğu ancak bu tabakada büyük delaminasyon oluşturduğu görülmüştür. 4 ve 6 nolu atışlara ait malzeme kesiti fotoğrafları sırasıyla Şekil 4.34 ve Şekil 4.36 da verilmiştir. 99

115 çekirdek kaplaması fiber kopması tabakalar arası ayrılma (a) deforme olmuş çekirdek delaminasyon fiber kopması çekirdek kaplaması parçası (b) deforme olmuş çekirdek Şekil (a), (b) C 2-1 numunesinde 1 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 100

116 tabakalar arası açılma çekirdek kaplaması parçası tabakalar arası açılma (a) delaminasyon deforme olmuş çekirdek çekirdek kaplaması parçası fiber kopması tabakalar arası ayrılma (b) tabakalar arası ayrılma deforme olmuş çekirdek delaminasyon Şekil (a), (b) C 2-1 numunesinde 2 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 101

117 tabakalar arası açılma çekirdek kaplaması parçası tabakalar arası açılma (a) delaminasyon deforme olmuş çekirdek fiber kopması çekirdek kaplaması parçası (b) deforme olmuş çekirdek tabakalar arası ayrılma Şekil (a), (b) C 2-1 numunesinde 3 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 102

118 deforme olmuş çekirdek deforme olmuş çekirdek kaplaması (a) delaminasyon tabakalar arası ayrılma delaminasyon fiber kopması deforme olmuş çekirdek parçası (b) delaminasyon çekirdek kaplaması parçası Fiber kopması Şekil (a), (b) C 2-1 numunesinde 4 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 103

119 delaminasyon deforme olmuş çekirdek kaplaması (a) tabakalar arası ayrılma deforme olmuş çekirdek tabakalar arası ayrılma fiber kopması delaminasyon (b) delaminasyon deforme olmuş çekirdek Şekil (a), (b) C 2-1 numunesinde 5 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 104

120 tabakalar arası ayrılma fiber kopması tabakalar arası ayrılma (a) deforme olmuş çekirdek kaplaması deforme olmuş çekirdek delaminasyon fiber kopması çekirdek kaplaması parçası (b) deforme olmuş çekirdek Şekil (a), (b) C 2-1 numunesinde 6 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 105

121 epoksi reçine c. [[(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 20 + (E-cam) 10 + (SB21) 20 + (E-cam) 10 ] 70 ] Şekil de C 3-1 olarak numaralandırılan ve atış testleri yapılan epoksi reçine matrisli E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat) takviyeli numune gösterilmiş, Çizelge 4.9. da yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri verilmiştir. Şekil Atış testleri yapılan E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat) numunesi Çizelge 4.9. E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Atış No v m (m/s) Çöküntü Yarılma/ Yarılma/ E K (Nm) Derinliği Delaminasyon Delaminasyon Değerlendirme (mm) Yüksekliği (mm) Çapı (mm) Delinme Yok ,13 30 Delinme Yok ,20 30 Delinme Yok ,12 30 Delinme Yok ,24 30 Delinme Yok ,14 30 Delinme Yok 106

122 Sıralı atışlar ve çöküntü değerleri göz önüne alındığında çöküntü değerleri bazında yapılan değerlendirmede diğer sistemlere göre en başarılı sistemdir. Katman sayısının artışıyla beraber kinetik enerjinin yayınımı artmış ve bununla birlikte çöküntü değeri düşmüştür. Şekil 4.37 de verilen fotoğrafta numunenin ön ve arka yüzeyleri incelendiğinde; Ön yüzeyde, mermi deliklerinin çevresinde düzgün olmayan şekilde renk açılması olan eğrisel alanlar ortaya çıktığı görülmüştür. (1 nolu atış çevresinde ortalama 20 mm yarıçapında, 2 nolu atış çevresinde ortalama 54 mm yarıçapında, 3 nolu atış çevresinde ortalama 36 mm yarıçapında, 4 nolu atış çevresinde ortalama 28 mm yarıçapında, 5 nolu atış çevresinde ortalama 39 mm yarıçapında, 6 nolu atış çevresinde ortalama 11 mm yarıçapında) Arka yüzeyde, penetrasyon noktalarının merkezde bulunduğu, birbirine dik konumda ve yaklaşık 30 mm uzunluğunda yarılmalar olduğu ve yine bu noktaların merkezlediği yarılmalarla aynı çapta olan delaminasyonlar meydana geldiği görülmüştür. Yapılan atışların hız ortalaması 430 m/sn ve buna karşılık yarılma/ delaminasyon yüksekliklerinin ortalaması 1,65 mm dir. Şekil de mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil da kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir. 107

123 çöküntü (mm) mermi hızı (m/sn) 451 Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği çöküntü (mm) kinetik enerji (Nm) 756 Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Numunenin atış noktalarının kesitleri incelendiğinde; Şekil 4.40 da malzeme kesiti fotoğrafları verilen 1 nolu atış sisteme yapılan sıralı atışlar içinde en düşük mermi hızı ile yapılmış olan atıştır. 1 ve 4 nolu atışlarda çekirdekler Kevlar 129 tabakasını delmiş, ancak hemen arkasında bulunan E-cam tabakasını delememiş ancak tabaka olarak 108

124 delaminasyona uğramıştır. Bu atışlara ait malzeme kesiti fotoğrafları sırasıyla Şekil ve Şekil 4.43 de verilmiştir. 2 nolu atışta çekirdek Kevlar 129 ve SB 21 arasındaki E-cam tabakasını delmiş SB21 in tabaka halinde delamine olmasına neden olmuştur. 2 nolu atışa ait malzeme kesiti fotoğrafları Şekil de verilmiştir. Şekil 4.42 de malzeme kesiti fotoğrafları verilen ve sisteme yapılan sıralı atışlar içinde en yüksek mermi hızı olan 3 nolu atışta çekirdek Kevlar 129 ve SB 21 arasındaki E-cam tabakasını delmiş ve SB 21 tabakasına çok az bir miktar penetre olmuştur. 5 nolu atışta çekirdek Kevlar 129 ve SB 21 arasındaki E-cam tabakasını % 50 seviyesinde delmiştir. 5 nolu atışa ait malzeme kesiti fotoğrafları Şekil de verilmiştir. 6 nolu atışta çekirdek Kevlar 129 tabakasını delmiş, hemen arkasında bulunan E-cam tabakasına az bir miktar penetre olmuştur. 6 nolu atışa ait malzeme kesiti fotoğrafları Şekil de verilmiştir. 109

125 deforme olmuş çekirdek (a) deforme olmuş çekirdek fiber kopması (b) delaminasyon Şekil (a), (b) C 3-1 numunesinde 1 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 110

126 çekirdek kaplaması parçası (a) deforme olmuş çekirdek çekirdek kaplaması parçası (b) deforme olmuş çekirdek Şekil (a), (b) C 3-1 numunesinde 2 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 111

127 fiber kopması çekirdek kaplaması parçası (a) deforme olmuş çekirdek (b) Şekil (a), (b) C 3-1 numunesinde 3 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 112

128 deforme olmuş çekirdek ve kaplaması tabakalar arası ayrılma (a) delaminasyon fiber kopması (b) deforme olmuş çekirdek deforme olmuş çekirdek kaplaması Şekil (a), (b) C 3-1 numunesinde 4 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 113

129 fiber kopması deforme olmuş çekirdek (a) çekirdek kaplaması parçası çekirdek kaplaması parçası delaminasyon (b) deforme olmuş çekirdek fiber kopması Şekil (a), (b) C 3-1 numunesinde 5 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 114

130 çekirdek kaplaması deforme olmuş çekirdek (a) fiber kopması deforme olmuş çekirdek (b) Şekil (a), (b) C 3-1 numunesinde 6 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 115

131 4.4. E-cam/SB21/Kevlar 129 Elyaf Tabakalı Epoksi Reçine Matrisli Numuneler epoksi reçine a. [[(E-cam) 10 + (SB21) 10 + (E-cam) 10 + (Kevlar 129) 10 + (E-cam) 10 ] 50 ] Şekil da C 1-2 olarak numaralandırılan ve atış testleri yapılan epoksi reçine matrisli E-cam (10x3 kat)/ SB21 (10 kat)/ Kevlar 129 (10 kat) takviyeli numune gösterilmiş, Çizelge da yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri verilmiştir. Şekil Atış testleri yapılan E-cam (10x3 kat)/ SB21 (10 kat)/ Kevlar 129 (10 kat) numunesi Şekil da verilen fotoğrafta atışlardan sonra numunenin arka yüzeyi incelendiğinde; Penetrasyon ve perforason noktalarının merkezde bulunduğu, birbirine dik konumda ve yaklaşık 20 mm uzunluğunda yarılmalar olduğu ve yine bu noktaların merkezlediği yarılmalarla aynı çapta olan delaminasyonlar meydana geldiği görülmüştür. Delaminasyonları çevreleyen düzgün olmayan eğrisel alanlar şeklinde renk açılması olan alanlar ortaya çıkmıştır. (1 nolu atış çevresinde ortalama 30 mm 116

132 yarıçapında, 2 nolu atış çevresinde ortalama 35 mm yarıçapında, 3 nolu atış çevresinde ortalama 30 mm yarıçapında, 4 nolu atış çevresinde ortalama 44 mm yarıçapında, 5 nolu atış çevresinde ortalama 27 mm yarıçapında, 6 nolu atış çevresinde ortalama 35 mm yarıçapında) 2 ve 5 nolu atışların, sistemde aynı eksen üzerinde olduğu ve diğer sıralı atışlara göre en düşük hızlar olmasına rağmen perforasyon meydana gelmesi bölgesel olarak yeterli presleme basıncının oluşturulamadığına işaret etmektedir. 4 ve 6 nolu atışlarda, kinetik enerjinin fiberler tarafından absorbe edilmesi sonucu, perforasyonun söz konusu olduğu atışlara göre yatay konumdaki yırtılmaların daha uzun olduğu değerlendirilmektedir.. Perforasyon meydana gelen atışlar dahil, yapılan atışların hız ortalaması 336 m/sn ve buna karşılık yarılma/ delaminasyon yüksekliklerinin ortalaması 6,67 mm dir. Perforasyon meydana gelmeyen atışlar için, atış hızı ortalaması 351,5 m/sn ve buna karşılık gelen yarılma/ delaminasyon yüksekliklerinin ortalaması 6,47 mm dir. Çizelge E-cam (10x3 kat)/ SB21 (10 kat)/ Kevlar 129 (10 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Atış No v m (m/s) Çöküntü Yarılma/ Yarılma/ E K (Nm) Derinliği Delaminasyon Delaminasyon Değerlendirme (mm) Yüksekliği (mm) Çapı (mm) ,37 20 DELİNME ,28 20 DELİNME ,65 20 DELİNME ,11 25 Delinme Yok ,71 20 DELİNME ,84 25 Delinme Yok 117

133 Şekil de mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil de kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir. çöküntü (mm) DELİNME DELİNME DELİNME DELİNME mermi hızı (m/sn) Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği çöküntü (mm) DELİNME DELİNME DELİNME DELİNME kinetik enerji (Nm) Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Numunenin atış noktalarının kesitleri incelendiğinde; Şekil 4.49 da malzeme kesiti fotoğrafları verilen ve sisteme yapılan sıralı atışlar içinde en yüksek mermi hızı olan 1 nolu atışta, yüksek mermi hızı sebebiyle merminin çarptığı E-cam tabakası ve SB21 tabakasında fiberlerde 118

134 ani kopma sonucu kesme delinmesi meydana gelmiştir. Darbenin etkisiyle E- cam ve takip eden SB21 tabakaları arasında yerel olarak kısmi ayrılma ve perforasyon bölgesinde, SB21 tabakasını takip eden sıralı katmanlarda büyük delaminasyon meydana gelmiştir. Perforasyon meydana gelmekle birlikte Şekil 4.51 de malzeme kesiti fotoğrafları verilen 3 nolu atışta, darbenin etkisiyle perforasyon bölgesinde, SB21 tabakasını takip eden sıralı katmanlarda büyük ölçüde fiber kopması ve delaminasyon meydana gelmiştir. Şekil 4.50 de verilen 2 nolu atış, Şekil 4.51 de verilen 3 nolu atış ve Şekil 4.53 de verilen 5 nolu atışlarda çekirdeklerin büyük ölçüde parçalandığı görülmüştür. Şekil 4.51 de malzeme kesiti fotoğrafları verilen 3 nolu atışta, darbenin etkisiyle perforasyon bölgesinde, SB21 tabakasını takip eden sıralı katmanlarda büyük ölçüde fiber kopması ve delaminasyon meydana gelmiştir. Şekil 4.52 de 4 nolu atışa ait, Şekil 4.54 de 6 nolu atışlara ait malzeme kesit fotoğrafları verilmiştir. Bölüm de E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10 kat)/ SB21(10 kat) numunesi ile karşılaştırıldığında SB21 malzemesinin arka destek malzemesi için uygun olduğu, Kevlar 129 un ise arka destek malzemesi olarak daha fazla hasar gördüğü kesit durumlarından anlaşılmaktadır. 119

135 kesme delinmesi çekirdek kaplaması parçaları (a) tabakalar arası ayrılma fiber kopması (b) delaminasyon deforme olmuş çekirdek Şekil (a), (b) C 1-2 numunesinde 1 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 120

136 fiber kopması çekirdek kaplaması parçası (a) çekirdek kaplaması parçası çekirdek parçaları delaminasyon çekirdek kaplaması (b) deforme olmuş çekirdek parçaları delaminasyon Şekil (a), (b) C 1-2 numunesinde 2 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 121

137 çekirdek kaplaması parçaları çekirdek kaplaması parçası delaminasyon (a) delaminasyon fiber kopması çekirdek kaplaması parçası fiber kopması çekirdek kaplaması parçaları (b) çekirdek parçaları Şekil (a), (b) C 1-2 numunesinde 3 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 122

138 çekirdek kaplaması deforme olmuş çekirdek (a) delaminasyonlar fiber kopması çekirdek kaplaması parçası (b) deforme olmuş çekirdek Şekil (a), (b) C 1-2 numunesinde 4 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 123

139 fiber kopması (a) delaminasyon çekirdek kaplaması çekirdek parçaları (b) çekirdek kaplaması delaminasyon Şekil (a), (b) C 1-2 numunesinde 5 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 124

140 çekirdek kaplaması parçası deforme olmuş çekirdek (a) delaminasyon çekirdek kaplaması parçası (b) deforme olmuş çekirdek parçası Şekil (a), (b) C 1-2 numunesinde 6 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 125

141 epoksi reçine b. [[(E-cam) 10 + (SB21) 15 + (E-cam) 10 + (Kevlar 129) 15 + (E-cam) 10 ] 60 ] Şekil de C 2-2 olarak numaralandırılan ve atış testleri yapılan epoksi reçine matrisli E-cam (10x3 kat)/ SB21 (15 kat)/ Kevlar 129 (15 kat) takviyeli numune gösterilmiş, Çizelge de yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri verilmiştir. Şekil Atış testleri yapılan E-cam (10x3 kat)/ SB21 (15 kat)/ Kevlar 129 (15 kat) numunesi 10 kat SB21 10 kat Kevlar 129 yapısında olan sistemde olduğu gibi 400 m/sn nin üzerindeki hızlarda balistik limitin dışında kalmıştır nolu sıralı atışlarda ortalama olarak 358,5 m/sn lik hız için ortalama 10,75 mm çöküntü değeri olan deformasyon ile NIJ II seviyesinde kalmıştır. Şekil de verilen fotoğrafta atışlardan sonra numunenin arka yüzeyi incelendiğinde; Perforasyonun meydana geldiği atış noktalarının merkezde bulunduğu, birbirine dik konumda ve yaklaşık yatayda 37 mm uzunluğunda, düşeyde de yaklaşık 27 mm uzunluğunda yarılmalar olduğu, penetrasyonun meydana geldiği diğer 126

142 atışlarda bu yarılmaların boyunun düşeyde yaklaşık 20 mm iken yatayda 4-6 nolu atışlarda 23 mm, 3-5 nolu atışlarda 13 mm civarında olduğu ve yine bu noktaların merkezlediği yarılmalarla aynı çapta olan delaminasyonlar meydana geldiği görülmüştür. Delaminasyonları çevreleyen düzgün olmayan eğrisel alanlar şeklinde renk açılması olan alanlar ortaya çıkmıştır. Tüm atışlar için bu alanların yaklaşık çaplarının 96 mm olduğu ölçülmüştür. 2 nolu atış noktasında mermi çekirdeğinin hemen uç kısmının görülebilmekte olup sistemin balistik sınırının 400 m/sn civarında olduğu değerlendirilmektedir. Perforasyon meydana gelen atışlar dahil, yapılan atışların hız ortalaması 379,8 m/sn ve buna karşılık yarılma/ delaminasyon yüksekliklerinin ortalaması 4,35 mm dir. Perforasyon meydana gelmeyen atışlar için, atış hızı ortalaması 359 m/sn ve buna karşılık gelen yarılma/ delaminasyon yüksekliklerinin ortalaması 3,43 mm dir. Çizelge E-cam (10x3 kat)/ SB21 (15 kat)/ Kevlar 129 (15 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Atış No v m (m/s) Çöküntü Yarılma/ Yarılma/ E K (Nm) Derinliği Delaminasyon Delaminasyon Değerlendirme (mm) Yüksekliği (mm) Çapı (mm) ,86 37 DELİNME ,64 37 DELİNME Delinme Yok ,72 23 Delinme Yok ,85 13 Delinme Yok ,72 23 Delinme Yok 127

143 Şekil da mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil de kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir çöküntü (mm) mermi hızı (m/sn) Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği çöküntü (mm) kinetik enerji (Nm) Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği 128

144 Numunenin atış noktalarının kesitleri incelendiğinde; Şekil 4.58 de malzeme kesiti fotoğrafları verilen ve sisteme yapılan sıralı atışlar içinde en yüksek mermi hızı olan 1 nolu atış sonucu perforasyon meydana gelmekle birlikte çekirdeğin parçalandığı ve parçaların darbe noktasında ani fiber kopması meydana gelerek büyük ölçüde hasar gören SB21 tabakası içinde dağıldığı görülmüştür. Şekil 4.59 da malzeme kesiti fotoğrafları verilen 2 nolu atışta perforasyon meydana gelmekle birlikte çekirdeğin büyük bir kısmının SB21 tabakası içinde kaldığı görülmüştür. Perforasyon meydana gelen 1 ve 2 nolu atışlar ile başarı sağlanan diğer atışların sonucu elde edilen kesitler ışığında sistemin balistik limitinin yaklaşık 400 m/sn civarında olduğu değerlendirilmiştir. Şekil 4.60 da malzeme kesiti fotoğrafları verilen 3 nolu atış, perforasyon meydana gelmeyen ve sisteme yapılan sıralı atışlar içinde en düşük mermi hızı ile yapılmış olan atıştır. Malzeme kesit fotoğrafları Şekil 4.61 de verilen 4 nolu atış ve Şekil 4.62 de verilen 5 nolu atışta çekirdeğin parçalandığı ve büyük bir kısmı SB 21 tabakası içinde, kısmen de takip eden E-cam tabakasının içinde gömülü kaldığı görülmüştür. Şekil 4.63 de malzeme kesiti fotoğrafları verilen 6 atışta çekirdeğin parçalandığı ve parçalarının SB21 tabakasının içinde kaldığı görülmüştür. 129

145 fiber kopması (a) deforme olmuş çekirdek delaminasyon Deforme olmuş çekirdek (b) çekirdek kaplaması parçaları Şekil (a), (b) C 2-2 numunesinde 1 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 130

146 çekirdek kaplaması parçası tabakalar arası ayrılma (a) fiber kopması çekirdek parçası çekirdek parçası fiber kopması çekirdek kaplaması parçası (b) fiber kopması Şekil (a), (b) C 2-2 numunesinde 2 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 131

147 (a) (b) Şekil (a), (b) C 2-2 numunesinde 3 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 132

148 fiber kopması çekirdek kaplaması parçası (a) deforme olmuş çekirdek delaminasyon çekirdek kaplaması parçası çekirdek kaplaması parçası (b) deforme olmuş çekirdek Şekil (a), (b) C 2-2 numunesinde 4 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 133

149 fiber kopması (a) deforme olmuş çekirdek çekirdek kaplaması parçası fiber kopması deforme olmuş çekirdek (b) çekirdek kaplaması parçaları Şekil (a), (b) C 2-2 numunesinde 5 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 134

150 deforme olmuş çekirdek (a) fiber kopması (b) delaminasyon deforme olmuş çekirdek ve kaplaması Şekil (a), (b) C 2-2 numunesinde 6 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 135

151 epoksi reçine c. [[(E-cam) 10 + (SB21) 20 + (E-cam) 10 + (Kevlar 129) 20 + (E-cam) 10 ] 70 ] Şekil de C 3-2 olarak numaralandırılan ve atış testleri yapılan epoksi reçine matrisli E-cam (10x3 kat)/ SB21 (20 kat)/ Kevlar 129 (20 kat) takviyeli numune gösterilmiş, Çizelge de yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri verilmiştir. Şekil Atış testleri yapılan E-cam (10x3 kat)/ SB21 (20 kat)/ Kevlar 129 (20 kat) numunesi Sıralı atışlar göz önüne alındığında 1 ve 5 nolu atışlarda perforasyon meydana gelmemiştir. Sistemde balistik limite yaklaşılmış olmakla birlikte tam başarı sağlanamamıştır. Bunun sebebinin; polietilen SB21 in yeterli enerji emilmesini sağlayamaması olduğu değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlara paralel olarak malzeme kalınlığı yönünde esneme kabiliyeti daha yüksek olan SB21, balistik yapılarda parçacık tutma için arka yüzey destek elemanı olarak kullanılmaktadır. Yapılan atış hızlarına göre malzeme kesitleri ve perforasyon meydana gelip gelmeme durumları göz önüne alındığında sistemin balistik limitinin 423 m/sn ile 430 m/sn arasında olduğu değerlendirilmiştir. 136

152 Çizelge E-cam (10x3 kat)/ SB21 (20 kat)/ Kevlar 129 (20 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, atışlar sonrası numunenin arka yüzeyindeki yarılma/ delaminasyon çapları ve çöküntü değerleri Atış No v m (m/s) Çöküntü Yarılma/ Yarılma/ E K (Nm) Derinliği Delaminasyon Delaminasyon Değerlendirme (mm) Yüksekliği (mm) Çapı (mm) ,68 31 Delinme Yok ,62 37 DELİNME ,68 37 DELİNME ,83 37 DELİNME ,25 31 Delinme Yok ,76 37 DELİNME Atışlardan sonra numunenin arka yüzeyi incelendiğinde; Penetrasyon noktalarının merkezde bulunduğu, birbirine dik konumda ve yaklaşık yatayda 37 mm uzunluğunda, düşeyde de yaklaşık 30 mm uzunluğunda yarılmalar olduğu, perforasyonun meydana geldiği 1 ve 5 nolu atışlarda bu yarılmaların boyunun düşeyde aynı kalırken yatayda 31 mm civarında olduğu ve yine bu noktaların merkezlediği yarılmalarla aynı çapta olan delaminasyonlar meydana geldiği görülmüştür. Delaminasyonları çevreleyen düzgün olmayan eğrisel alanlar şeklinde renk açılması olan alanlar ortaya çıkmıştır. Tüm atışlar için bu alanların çapı yaklaşık 93 mm olarak ölçülmüştür. Perforasyon meydana gelmeyen atışlar dahil, yapılan atışların hız ortalaması 432,67 m/sn ve buna karşılık yarılma/ delaminasyon yüksekliklerinin ortalaması 6,3 mm dir. Perforasyon meydana gelmeyen atışlar için, atış hızı ortalaması 428,5 m/sn ve buna karşılık gelen yarılma/ delaminasyon yüksekliklerinin ortalaması 5,46 mm dir. 137

153 Şekil de mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil da kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir çöküntü (mm) DELİNME DELİNME DELİNME DELİNME mermi hızı (m/sn) Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği çöküntü (mm) DELİNME DELİNME DELİNME DELİNME kinetik enerji (Nm) Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği 138

154 Numunenin atış noktalarının kesitleri incelendiğinde; Şekil 4.67 de malzeme kesiti fotoğrafları verilen 1 nolu atışta parçalanan çekirdek SB21 tabakası ile arka yüzey E-cam tabakası arasında geniş bir dağılım göstermiştir. Tehdit engellenmiş ancak zırh sisteminin üretim yöntemine bağlı sebepler, SB21 malzemesinin yapısal olarak daha az reçine emilimi sağlaması ve balistik darbenin etkisi sonucu SB21 tabakası ve bir sonraki E-cam tabakaları arasında açılma meydana gelmiştir. Şekil 4.68 de malzeme kesiti fotoğrafları verilen ve sisteme yapılan sıralı atışlar içinde en yüksek mermi hızı olan 2 nolu atış sonucu perforasyon meydana gelmiştir. yüksek mermi hızı sebebiyle merminin çarptığı E-cam tabakasında fiberlerde ani kopma sonucu kesme delinmesi meydana geldiği görülmüştür. Şekil 4.69 da malzeme kesiti fotoğrafları verilen 3 nolu atış sonucu perforasyon meydana gelmekle birlikte çekirdeğin parçalandığı ve deforme olmuş bir çekirdek parçasının SB21 tabakası içinde kaldığı, ayrıca Kevlar 129 ve takip eden E-cam tabakası arasında az bir miktar ayrılma olduğu görülmüştür. Şekil 4.70 de malzeme kesiti fotoğrafları verilen 4 nolu atış sonucu perforasyon meydana gelmiştir. SB21 tabakasında, perforasyon bölgesinde geniş bir deformasyon alanı mevcutken, takip eden E cam ve Kevlar 129 tabakalarında görülen fiber kopması bu tabakaların merminin kinetik enerjisine karşı dayanım gösterememiş olduklarının bir işaretidir. Şekil 4.71 de malzeme kesiti fotoğrafları verilen 5 nolu atış, perforasyon meydana gelmeyen ve sisteme yapılan sıralı atışlar içinde en düşük mermi hızı ile yapılmış olan atıştır. Mermi, SB21 tabakası içinde deforme olmuş ve durdurulmuştur. Şekil 4.72 de malzeme kesiti fotoğrafları verilen 6 nolu atış sonucu perforasyon meydana gelmekle birlikte çekirdeğin parçalandığı ve deforme olmuş bir çekirdek parçasının Kevlar 129 tabakasında kaldığı görülmüştür. Mermi hızı 434 m/sn olan 1 nolu atış ve mermi hızı 430 m/sn olan 6 nolu atışın her ikisinde de Kevlar 129 tabakası ile SB21 takasının arasındaki E-cam tabakasında fiber kopması medyama gelmiştir. 139

155 fiber kopması tabakalar arası ayrılma (a) fiber kopması çekirdek parçaları fiber kopması çekirdek kaplaması parçası (b) delaminasyon fiber kopması Şekil (a), (b) C 3-2 numunesinde 1 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 140

156 kesme delinmesi (a) çekirdek parçası (b) çekirdek kaplaması parçaları delaminasyon Şekil (a), (b) C 3-2 numunesinde 2 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 141

157 çekirdek kaplaması parçası çekirdek parçası (a) fiber kopması çekirdek kaplaması parçası (b) delaminasyon tabakalar arası ayrılma Şekil (a), (b) C 3-2 numunesinde 3 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 142

158 fiber kopması çekirdek kaplaması parçası fiber kopması (a) çekirdek kaplaması parçası (b) Şekil (a), (b) C 3-2 numunesinde 4 nolu atışa ait malzeme fotoğrafları 143

159 çekirdek kaplaması parçası çekirdek parçaları (a) fiber kopması çekirdek kaplaması parçası (b) deforme olmuş çekirdek Şekil (a), (b) C 3-2 numunesinde 5 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 144

160 çekirdek kaplaması parçası fiber kopması (a) deforme olmuş çekirdek parçası delaminasyon fiber kopması çekirdek kaplaması parçası tabakalar arası ayrılma (b) deforme olmuş çekirdek parçası fiber kopması Şekil (a), (b) C 3-2 numunesinde 6 nolu atışa ait malzeme kesit fotoğrafları 145

161 4.5. SB21 Elyaf Numunesi [(SB21) 40 ] Çizelge de El presi ile birleştirilen SB21 (40 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri verilmiştir. Çizelge 4.13.SB21 (40 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Atış Çöküntü v m (m/s) E K (Nm) No Derinliği (mm) Değerlendirme Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Şekil de mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil de kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir çöküntü (mm) mermi hızı (m/sn) Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği 146

162 29 28 çöküntü (mm) kinetik enerji (Nm) 706 Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Sıralı atışların ortalama mermi hızı 434,67 m/sn ve ortalama çöküntü değeri 27,5 mm dir. Maksimum 436 m/sn mermi hızı için 29 mm çöküntü değeri elde edilmiştir. Yapılan sıralı atışlar neticesinde numunede delinmenin olmadığı ve çöküntü miktarının (25~29 mm < 44 mm) NIJ III-A koruma seviyesine uygun olduğu gözlenmiştir. 147

163 4.6. Kevlar 129 Numunesi [(Kevlar 129) 40 ] Şekil 4.75 de dikişle birleştirilmiş, reçinesiz Kevlar 129 (40 kat) numunesinin yapılan atışlardan sonraki fotoğrafları görülmektedir. Şekil Atış testleri yapılan Kevlar 129 (40 kat) numunesi Çizelge Dikişle birleştirilmiş, reçinesiz Kevlar 129 (40 kat) numunesine yapılan atışlara ait mermi hızı, mermi kinetik enerjisi ve çöküntü değerleri Atış Çöküntü v m (m/s) E K (Nm) No Derinliği (mm) Değerlendirme Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok Delinme Yok 148

164 Şekil da mermi hızı çöküntü değerleri grafiği ve Şekil de kinetik enerji çöküntü değerleri değişimi grafik olarak verilmiştir. çöküntü (mm) mermi hızı (m/sn) Şekil Mermi hızı çöküntü değerleri grafiği çöküntü (mm) kinetik enerji (Nm) Şekil Kinetik enerji çöküntü değerleri grafiği Sıralı atışların ortalama mermi hızı 435,67 m/sn ve ortalama çöküntü değeri 27,5 mm dir. Maksimum 440 m/sn mermi hızı için 31 mm çöküntü değeri elde edilmiştir. Yapılan sıralı atışlar neticesinde numunede delinmenin olmadığı ve çöküntü miktarının (26~31 mm < 44 mm) NIJ III-A koruma seviyesine uygun olduğu gözlenmiştir. 149

165 4.7 Deney Sonuçlarının Genel Değerlendirilmesi Deney numunelerinde matris yapı olarak epoksi reçine kullanılmıştır. Polimer matrisli kompozitler genel olarak kırılgan yapıda olup, enerjiyi sadece elastik bölgede absorbe etmektedir. Yapılan atışlarda enine ani darbe altında primer fiberler kopma uzamasına ulaşır ulaşmaz kopmuştur. Tabakalı kompozit numunelerde merminin penetrasyonu yönünde, çarpma noktasına yakın tabakaların elastik özellikleri daha düşüktür Bu nedenle düzlem dışına doğru olan yüklemelerde gerilmeler en hassas konumdadır. Deney numunelerinin yapısal özelliklerine ve merminin geometrisine, hızına ve kütlesine göre balistik darbe esnasında meydana gelen hasar tipleri farklı olabilmektedir. (Patts, 2000,Sheikh vd., 2009 Wambua, 2007). Atış deneyleri sonrasında tabakalı kompozit numunelerde genel olarak kesme delinmesi, delaminmasyon, fiber kopması, tabakalar arası ayrılma, numunenin arka yüzeyinde yarılma ve perforasyon hasarları gözlenmiştir. Merminin numune yüzeyine çarpması, numunenin mermi altında kalan kısmının sıkışmasına ve oluşan çukur kısmında kalınlık boyunca deformasyon meydana gelmesine neden olmaktadır. Mermi, kompozit yapının içerisine nüfuz ederek tabaka kalınlığı boyunca ilerlerken malzemenin düşey yönde deformasyonu ile merminin altında kalan tabakaların arasında meydana gelen normal gerilmeler delaminasyon oluşumuna ve büyümesine neden olur (Karahan, 2008; Phoenix ve Porwal, 2003; Tan ve Ching, 2006). Özellikle perforasyon meydana gelmeyen numunelerin arka yüzeylerinde görülen delaminasyon dikkate alınırsa; penetrasyon esnasında merminin ilerleme yönünde azalan malzeme kalınlığının, mermiye karşı oluşan reaksiyon direncinin azalmasına bunun sonucunda merminin kalan kinetik enerjisinin etkisi ile tabakaların ayrılmasına ve tabakanın arka yüzeyinde delaminasyon oluşumuna neden olmaktadır. Numunelerin üretim yönteminde kullanılan el yatırma yönteminde yeterli reçine emilimi sağlanamadığından, buna ilaveten polietilen SB21 fiber yapının reçine emiliminin düşük olması nedeni ile tabakaların arası yeterli bağ oluşturulamamıştır. Bunun sonucu olarak atış testleri sonucunda bazı numunelerde tabakalar arası açılma, ortaya çıkmıştır (Phoenix ve Porwal, 2005). 150

166 5. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Polimer matrisli elyaf takviyeli yapıda üretilen kompozitlerin balistik davranışlarını incelemek için deneyler yapılmıştır. Kompozit malzemelerin el yatırma ve el presi ile yapılan üretiminde, düzlem dokuma yapıdaki E-cam elyaf, para-aramid Kevlar 129 ve SB21 polietilen elyaf malzemeler farklı kat adetlerinde ta kviye elemanı olarak kullanılmıştır. Testlerde 9 mm çapındaki merminin farklı hızları için malzemelerin NIJ standardına göre koruma seviyeleri üzerinde durulmuştur. Çalışmada elde edilen sonuçlar aşağıda özetlenmiştir: Üretimi yapılan kompozit malzemelerin yapısal konfigürasyonları ve bu sistemlerden delinme meydana gelmeyen yapıların balistik atış testlerindeki en yüksek mermi hızları ile koruma seviyeleri, perforasyon meydana gelen yapıların ise delinmenin meydana geldiği en düşük mermi hızları Çizelge 5.1. de verilmiştir. Çizelge 5.1. Malzeme konfigürasyonu, mermi hızları ve koruma durumu Kompozit Yapı Konfigürasyonu Mermi Hızı m/sn Koruma Durumu [[(E-cam) 10 +(Kevlar 129) 10 +(E-cam) 10 +(Kevlar 129) 10 +(E-cam) 10 ] 50 ] epoksi reçine 414 Delinme [[(E-cam) 10 +(Kevlar 129) 15 +(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 15 +(E-cam) 10 ] 60 ] epoksi reçine 439 Delinme [[(E-cam) 10 +(Kevlar 129) 20 +(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 20 +(E-cam) 10 ] 70 ] epoksi reçine 442 Delinme [[(E-cam) 10 + (SB21) 10 + (E-cam) 10 + (SB21) 10 + (E-cam) 10 ] 50 ] epoksi reçine 418 Delinme [[(E-cam) 10 + (SB21) 15 + (E-cam) 10 + (SB21) 15 + (E-cam) 10 ] 60 ] epoksi reçine 445 Delinme [[(E-cam) 10 + (SB21) 20 + (E-cam) 10 + (SB21) 20 + (E-cam) 10 ] 70 ] epoksi reçine 448 III-A [[(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 10 + (E-cam) 10 + (SB21) 10 + (E-cam) 10 ] 50 ] epoksi reçine 415 Delinme [(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 15 + (E-cam) 10 + (SB21) 15 + (E-cam) 10 ] 60 ] epoksi reçine 441 III-A [[(E-cam) 10 + (Kevlar 129) 20 + (E-cam) 10 + (SB21) 20 + (E-cam) 10 ] 70 ] epoksi reçine 451 III-A [[(E-cam) 10 + (SB21) 10 + (E-cam) 10 + (Kevlar 129) 10 + (E-cam) 10 ] 50 ] epoksi reçine 289 Delinme [[(E-cam) 10 + (SB21) 15 + (E-cam) 10 + (Kevlar 129) 15 + (E-cam) 10 ] 60 ] epoksi reçine 414 Delinme [[(E-cam) 10 + (SB21) 20 + (E-cam) 10 + (Kevlar 129) 20 + (E-cam) 10 ] 70 ] epoksi reçine 430 Delinme [(Kevlar 129) 40 ] 440 III-A [(SB21) 40 ] 436 III-A 151

167 a. E-cam / (10x2 kat, 15x2 kat ve 20x2 kat) Kevlar 129 elyaf tabakalı epoksi reçine matrisli 3 adet tabakalı numunede delinmeler yaşanmış olup koruma seviyesinde başarı sağlanamamıştır. b. E-cam / (10x2 kat, 15x2 kat ve 20x2 kat) SB21 elyaf tabakalı epoksi reçine matrisli 3 adet tabakalı numuneden 10x2 kat ve 15x2 kat SB21 numuneleri için koruma seviyesinde başarı sağlanamamış, yalnızca 20x2 kat numunesinde NIJ III-A koruma seviyesi elde edilmiştir. c. E-cam / Kevlar 129 / SB21 elyaf tabakalı epoksi reçine matrisli 3 adet tabakalı numuneden 10 kat Kevlar 129 ve 10 kat SB21 numunesi için koruma seviyesinde başarı sağlanamazken, diğer iki numunede NIJ III-A koruma seviyesi elde edilmiştir. Balistik koruma sağlamış numunelerde; [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/ SB21 (15 kat)] numunesine yapılan atışlarda çöküntü miktarı; en düşük mermi hızı olan 412 m/sn için 18 mm ve 441 m/sn olan en yüksek mermi hızı için 22 mm olarak ölçülmüş olup, mermi kinetik enerjisindeki 91,898 Nm artış için çöküntü miktarındaki artış 4 mm olmuştur. [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat)] numunesine yapılan atışlarda çöküntü miktarı; en düşük mermi hızı olan 410 m/sn için 10 mm ve 451 m/sn olan en yüksek mermi hızı için 16 mm olarak ölçülmüş olup, mermi kinetik enerjisindeki 131,143 Nm artış için çöküntü miktarındaki artış 6 mm olmuştur. d. E-cam / SB21 / Kevlar 129 elyaf tabakalı epoksi reçine matrisli 3 adet numunede delinmeler yaşanmış olup koruma seviyesinde başarı sağlanamamıştır. Bu itibarla Kevlar 129 tabaka tarafına atış yapılan (E-cam / Kevlar 129/ SB21) numunelerin enerji absorbe edebilme ve absorbe edebildiği enerjiyi dağıtabilme kabiliyeti, SB21 yüzeyi tarafından atış yapılan numunelere göre (E-cam / SB21 / Kevlar 129) daha yüksektir. 152

168 e. Reçinesiz 40 kat Kevlar 129 para aramid elyaf dokuma numunesinde NIJ III-A koruma seviyesi elde edilmiştir. f. 40 kat SB21 polietilen elyaf dokuma numunesinde NIJ III-A koruma seviyesi elde edilmiştir. 434 m/sn hızındaki atışta 27 mm olan çöküntü değeri, polietilen elyaf dokuma miktarının %50 oranında azaltılarak yerine Kevlar 129 ve ilaveten E-cam elyaf tabakalarının kullanıldığı [E-cam (10x3 kat)/ SB21 (20 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)] numunesinde ise aynı mermi hızı için çöküntü değeri %33 azalarak 18 mm ölçülmüştür. g. E-cam / Kevlar 129 / SB21 elyaf tabakalı epoksi reçine matrisli 3 adet tabakalı numunenin Çizelge 5.2 de verilen ortak mermi hızlarına göre elde edilen deney sonuçları verilmiştir. Çizelge 5.2 Ortak mermi hızlarına göre elde edilen deney sonuçları V m (m/s) Tabakadaki Kat Miktarı (Ad.) Çöküntü Yarılma/ Yarılma/ Derinliği Delaminasyon Delaminasyon (mm) Yüksekliği (mm) Çapı (mm) , , , , , , Delinme 6, , ,

169 Çizelge 5.2. de verilen değerlere göre; [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10 kat)/ SB21 (10 kat)] numunesinde 410 m/sn mermi hızı için 20 mm olarak ölçülen çöküntü değeri, [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat)] numunesinde yarı yarıya azalmış olarak 10 mm ölçülmüştür. Buna göre Kevlar 129 elyaf dokumanın ve SB21 polietilen tabakanın sayısı 2 katına çıktığında çöküntü miktarı yarı yarıya azalmıştır. Bu atış hızı için perforasyon meydana gelmeyen malzemelerden [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10 kat)/ SB21 (10 kat)] numunesinde SB21 tabakasında büyük ölçüde fiber kopması meydana geldiği ancak bu tabakanın tamamen perfore olmadığı görülmüştür. [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat)] Kevlar 129 tabakasında ise büyük ölçüde fiber kopması meydana gelmekle birlikte tamamen perforasyon meydana gelmediği ve takip eden E-cam tabakasının delaminasyona uğradığı görülmüştür. Bunun sonucu olarak [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10 kat)/ SB21 (10 kat)] numunesinin arka yüzeyinde meydana gelen yarılma ve delaminasyon [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat)] numunesinde hemen hemen ortadan kalkmıştır. 416 m/sn mermi hızı için [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10 kat)/ SB21 (10 kat)] numunesinde 23 mm olarak ölçülen çöküntü değeri, [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/ SB21 (15 kat)] numunesinde 19 mm dir. Buna göre; aynı kinetik enerji değeri için Kevlar 129 elyaf dokumanın ve SB21 polietilen tabakanın sayısı 50% arttığında çöküntü miktarı 17,4% azalmıştır. Bu atış hızı için [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10 kat)/ SB21 (10 kat)] numunesinin SB21 tabakasında büyük ölçüde fiber kopması meydana geldiği ancak bu tabakanın tamamen perfore olmadığı görülmüştür. Buna karşılık [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/ SB21 (15 kat)] numunesinde ise çekirdek, SB21 den önceki E-cam tabakasında durdurulmuştur. Zırh sisteminin üretim yöntemine bağlı sebepler, SB21 malzemesinin yapısal olarak daha az reçine emilimi sağlaması ve balistik darbenin etkisi sonucu her iki numunede de SB21 tabakası ve E-cam tabakaları arasında açılma meydana gelmiştir. 154

170 431 m/sn mermi hızı için [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/ SB21 (15 kat)] numunesinde 21 mm ölçülen çöküntü değeri, [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat)] numunesinde 13 mm olarak ölçülmüştür. Buna göre; aynı kinetik enerji değeri için Kevlar 129 elyaf dokumanın ve SB21 polietilen tabakanın sayısı 25% arttığında çöküntü miktarı %38,1 azalmıştır. [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/ SB21 (15 kat)] numunesinde çekirdek, SB21 den önceki E-cam tabakası tamamen durdurulmuştur. [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat)] numunesinde çekirdek, Kevlar 129 tabakası içinde durdurulmuştur. 423 m/sn mermi hızı için [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (10 kat)/ SB21 (10 kat)] numunesinde perforasyon meydana gelmiştir. Aynı mermi hızında [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/ SB21 (15 kat)] numunesinde 20 mm ve [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat)] numunesinde 12 mm çöküntü meydana gelmiştir. Buna göre; aynı kinetik enerji değeri için Kevlar 129 elyaf dokumanın ve SB21 polietilen tabakanın sayısı 25% arttığında çöküntü miktarı 40% azalmıştır. Malzeme kesitleri incelendiğinde; [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/ SB21 (15 kat)] numunesinde Kevlar 129 ve SB 21 arasında bulunan E-cam tabakasında tamamen fiber kopması meydana geldiği, ancak SB 21 tabakasına penetre olamadığı görülmüştür. [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat)] numunesinde ise Kevlar 129 ve SB 21 arasında bulunan E-cam tabakasında çekirdeğin % 50 seviyesinde fiber kopması, bu tabakanın kalan % 50 kısmında delaminasyon ve SB21 tabakasında ise sıkışma meydana getirdiği belirlenmiştir. Bu sonuçlar ışığında; E-cam Kevlar 129 ve E-cam SB21 numunelerine yapılan atışlar neticesinde elde edilen balistik test sonuçları aynı katman sayıları için birbirleri ile tutarlıdır. Bu numunelerde ana yapıyı 3x10 kat E-cam elyaf oluşturmaktadır. Artan Kevlar 129 ve SB21 katman sayıları ile yapılan testlerde her iki elyaf türü arasındaki dayanım farkı netleşmektedir. Bu 155

171 numunelerde kullanılan konfigürasyon ve üretim metodu göz önüne alındığında Kevlar129 nispeten başarılı olmuştur. E-cam / Kevlar 129 / SB21 numunelerinde; [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/ SB21 (15 kat)] numunesinde atış hızları ortalaması 425,3 m/sn, çöküntü değerleri ortalaması 12,66 mm ve yarılma/delaminasyon yüksekliği ortalaması 4,3 mm, buna karşılık [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat)] numunesinde atış hızları ortalaması 430 m/sn, çöküntü değerleri ortalaması 20 mm ve yarılma/delaminasyon yüksekliği ortalaması 1,65 mm dir. Aynı yaklaşımla [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/ SB21 (15 kat)] numunesinde yapılan atışlarda en yüksek mermi hızı 441 m/sn, çöküntü değeri 22 mm ve yarılma/delaminasyon yüksekliği ortalaması 4,93 mm, buna karşılık [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat)] numunesinde yapılan atışlarda en yüksek mermi hızı 451 m/sn, çöküntü değeri 16 mm ve yarılma/delaminasyon yüksekliği ortalaması 3,20 mm dir. Gerek yapılan atış hızlarının ortalaması ve gerekse en yüksek atış hızına göre ortaya çıkan çöküntü miktarı ve yarılma/delaminasyon yüksekliği göz önüne alındığında [E-cam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (20 kat)/ SB21 (20 kat)] balistik olarak daha iyi sonuç vermiştir. Ancak aynı balistik koruma seviyesi için [Ecam (10x3 kat)/ Kevlar 129 (15 kat)/ SB21 (15 kat)] numunesi ağırlık ve kalınlık yönünden optimum sonuçtur. Elde edilen deneysel sonuçlara göre malzeme kalınlığı yönünde esneme kabiliyeti daha yüksek olan SB21, balistik yapılarda parçacık tutma için arka yüzey destek elemanı olarak kullanılması balistik performansı olumlu etkilemiştir. En temel enerji sönümleme mekanizması delaminasyon oluşumları olup, yapısı gereği poletilen tabakalarda meydana gelen delaminasyon hasarı dokuma yapılara göre daha geniş alanda meydana gelmiştir. 156

172 Numunelerin el yatırma ve el presi ile yapılan üretimine bağlı olarak balistik testlerde ortaya çıkan tabakalar arası ayrılma oluşumunun giderilmesi ve daha yüksek mermi hızlarına karşı balistik dayanım elde edilebilmesi için bir sonraki aşama olarak reçine emilimi düşük olan polietilen esaslı SB21 yerine para aramid esaslı balistik malzeme seçilerek veya daha yüksek basınçlı presleme yöntemi kullanılarak numune üretimi yapılabilir olup ana yapayı oluşturan E cam yerine S cam malzeme kullanılması da elde edilecek sonuçlar yönünden farklılık gösterecektir. Bu çalışmadaki komposit yapının enerji sönümleme özelliğini artırmak amacı ile ara yüzeye çelik hasır bir takviye ile desteklenmesi bu çalışmanın bir devamı olacağı değerlendirilmiştir. El yatırma yönteminin beraberinde getirdiği olumsuzlukların azaltılmak amacı ile vakum altında otomatik bir sistemle üretilmesi atış deneylerinde daha olumlu sonuçlar vereceği beklenmektedir. 157

173 6. KAYNAKLAR Ashby, M.F., Materials selection in mechanical design. Butterworth, Heinemann, 2nd edition, 493p, Cambridge. Bhatnagar, A., Lightweight ballistic composites. ABD-CRC Press, Woodhead Publishing Ltd., 1st edition, 429p, Cambridge. Bilişik, A.K., Turhan, Y., Multidirectional stitched layered aramid woven fabric structures and their experimental characterization of ballistic performance. Textile Research Journal, 79, Briscoe, B.J., Motamedi, F., The ballistic impact characteristics of aramid fabrics: the influence of interface friction. Elsevier, Wear 61, Briscoe, B.J., Motamedi, F., Role of interfacial friction and lubrication in yarn and fabric mechanics. Textile Research Journal, 60, Buitrago, B.L, Shirley, Garcia-Castillo, S.K., Barbero, E., Experimental analysis of perforation of glass/polyester structures subjected to high-velocity impact. Elsevier Materials Letters, 64, Campos, R., Bechtold, T., Rohrer, C., Fiber friction in yarn a fundamental property of fibers. Textile Research Journal, 73, Candan, C., Akdemir, A., An investigation of terminal ballistic properties and design of composite armor against the light weapons, 10. Denizli Malzeme Sempozyumu ve Sergisi, Candan, C., The examination of terminal ballistic qualifications of high density polythene (UHMW-PE) armor plaque which are produced with pressing and without ressing against small arms. Elsevier International Journal of Impact Engineering, 77,

174 Caprino, C., Ballistic impact behaviour of stitched graphite/epoxy laminates. Composites Science And Technology, 35, Carr, D.J., Failure mechanisms of yarns subjected to ballistic impact. Jornal of materials science letters, 18, Ceyhun, V., Turan, M., Tabakalı kompozit malzemelerin darbe davranışı. Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, M.M.O. Mühendis ve Makine, 44 (516), Cheeseman B.A., Bogetti T.A., Ballistic impact into fabric and compliant composite laminates. Elsevier Composite structures, 61, Cheng-Kun, C., Yu-Liang, C., Ballistic-proof effects of various woven constructions. Fibers & Textiles in Eastern Europe, 18 (6), Chen, X., Micromechanics based modeling of high velocity impact response of layered heterogeneous material systems. The Florida State University, Doctor of Philosophy, 178p, Florida. Chocron, S., Figueroa, E., King, N., Kirchdoerfer, T., E. Nicholls, A., Sagebiel, E., Weiss, C., J. Freitas, C., Modeling and validation of full fabric targets under ballistic impact. Elsevier Composites Science and Technology 70, Cunniff, P. M., Dimensionless parameters for optimization of textile-based body armor systems. 18th international symposium on ballistics conference, San Antonio, ABD, Csukat G.F., A study on the ballistic performance of composites. Wiley inter science macromol symposium, USA, Çolakoğlu, M., Soykasap, Ö., Özek, T., Experimental and numerical investigations on the ballistic performance of polymer matrix composites used in armor design. Springer Applied Composite Materials, 14,

175 Çolakoğlu, M., Soykasap, Ö., Hafif silahlara karşı zırh yapımında kullanılan polimer matrisli kompozitlerlin balistik özelliklerinin incelenmesi. Kocatepe Üniversitesi, TÜBİTAK projesi 106M004, 104, Afyonkarahisar. Da Silva, JR. J.E.L., Paclornik, S., d Almeida, J.R.M., Evaluation of the effect of the ballistic damaged area on the residual impact strength and tensile stiffness of glass-fabric composite material. Elsevier Composite Structures, 64, Dear, J.P., Brown, S.A., Impact damage processes in reinforced polymeric materials, composites: Part A, Elsevier 64, Deborah, D.L.C., Carbon fiber composites. Butterworth-Heinemann, MA.- USA, 1st edittion, 215, Oxford. Deluca, E., Prifti, J., Betheney, W., Chou, S.C., Ballistic impact damage of S2- glass reinforced plastic structural armor. Composites Science and echnology, 58, Fatt, M.S.H., Sirivolu, D., A wave propagation model for the high velocity impact response of a composite sandwich model. Elsevier International Journal of Impact Engineering, 37, Galvez, V.S., Paradela, L.S., Analysis of failure of add-on armour for vehicle protection against ballistic impact. Elsevier Engineering Failure Analysis, 16, Garcia-Castillo, S.K., Puente-López, J., Sánchez-Sáez, S., Barbero, E., Navarro,C., Analytical model for energy absorption capabilities of glass/ polyester panels subjected to ballistic impact. 23rd Southeastern Conference in Theoretical and Applied Mechanics Mayagüez, Puerto Rico, May 21 23,

176 Garcia-Castillo S.K., Sánchez-Sáez, S., Barbero, E., Nondimensional analysis of ballistic impact on thin woven laminate plates. Elsevier International Journal of Impact Engineering, 39, Gellert, E.P., Cimpoeru, S.J., Woodward, R.L., A study of the effect oh the target thickness on the ballistic perforation of glass-fibre reinforced plastic composites. Elsevier International Journal of Impact Engineering, 24, Gower, H.L., Cronin, D.S., Plumtree, A., Ballistic impact response of laminated composite panels. Elsevier International Journal of Impact Engineering, 35, Graeme, W.M., The Theory of Composites. Cambridge University Press, ISBN , 749, Cambridge. Grogan, J., Tekalur, A.S., Shukla, A., Bogdanovich, A., Coffelt, A.R., Ballistic resistance of 2D and 3D woven sandwich composites. Journal of Sandwich Structures and Materials, 9, Grujicic, M., Pandurangan, B., Koudela, K.L., Cheeseman, B.A., A computational analysis of the ballistic performance of light-weight hybrid composite armors. Elsevier Applied Surface Science, 253, Grujicic, M., Arakere, G., He, T., Bell, W.C., Cheeseman, B.A., Yen, C.F., Scott, B., A ballistic material model for cross-plied unidirectional ultra-high molecular-weight polyethylene fiber-reinforced armor-grade composites. Elsevier Materials Science and Engineering, 498, Grujicic, M., Glomski, P.S., He T., Arakere, G., Bell, W.C., and Cheeseman, B.A., Material modeling and ballistic-resistance analysis of armor-grade composites reinforced with high-performance fibers. ASM International, 18,

177 Gu, B., Analytical modeling for the ballistic perforation of planar plain woven fabric by projectile. Elsevier Composites Part B, Hazell, P.J., Appleby, G., A study on the energy dissipation of several different CFRP-based targets completely penetrated by a high velocity projectile. Elsevier Composite Structures, 91, Heimbs, S., Cichosz, J., Klaus, M., Kilchert, S., Johnson, A.F., Sandwich structures with textile-reinforced composite fold cores under impact load Elsevier Composite Strucutres, 92, Hosur, M.V., Vaidya, U.K., Ulven, C., Jeelani, S., Performance of stitched/ unstitched woven carbon/ epoxy composites under high velocity impact loading. Elsevier Composite Structures, 64, Hsieh, C.Y., Mount, A., Jang, B.Z., Zee, P.H., Response of polymer composites under high velocity impact. 22nd Int. SAMPE Tech. Conference, Iannucci, L., Pope, D., High velocity impact and armour design. Express Polymer Letters, 5, Jeng, S.T., Wang, S.B., Sheu, L.T., A model for predicting the the residual strength of GFRP laminates subjected to ballistic impact. Journal of Reinforced Plastic Composites, 11, Joo, K., Kang, T.J., Numerical analysis of energy absorption mechanism in multi-ply fabric impacts. Textile Research Journal, l78, Jovicic J., Zavaliangos A., Ko F., Modeling of the ballistic behavior of gradient design composite armors. Elsevier Composites Part A, Kalpakjian, S., Schmid, S.R., Manufacturing Engineering and Technology. US, Printice Hall, 4th Edition, 243p, NY. 162

178 Karahan, M., Kuş, A., Eren R., An investigation into ballistic performance and energy absorption capabilities of woven aramid fabrics. Elsevier International Journal of Impact Engineering, 35, Karahan, M., Comparison of ballistic performance and energy absorption capabilities of woven and unidirectional aramid fabrics. Textile Research Journal, 78, Karakan, G., Balistik yapılarda balistik performansa etkiyen parametrelerin incelenmesi. Tekstil Teknolojileri, 3, Kocer, H.B., Laminated and hybrid soft armor systems for ballistic applications. Auburn Universtiy, Master of Science, 99, Alabama. Kumar, S., Gupta, D.S., Singh, I., Sharma, A., Behavior of Kevlar/Epoxy composite plates under ballistic impact. Journal of Reinforced Plastics and Composites, September, Larsson, F., Svensson, L., Carbon, poılethylene hybrid fiber composites for structural light weight armor. Elsevier Composites Part: A, Lee, B.L., Walsh, T.F., Won, S.T., Patts, H.M., Song, J.W., Mayer, A.H., Penetration failure mechanisms of armor-grade fiber composites under impact. ournal of Composite Materials, 35, Lim, C.T., Shim, P.W., NG, Y.H., Finite-element modeling of the ballistic impact of fabric armor, International Journal of Impact Engineering, 28, López P.J., Zaera, R., Navarro, C., An analytical model for high velocity impacts on thin CFRPs woven laminated plates. Elsevier International Journal of Solids and Structures, 44, Mamivand, M., Liaghat, G.H., A model for ballistic impact on multi-layer fabric targets. Elsevier International Journal of Impact Eng., 37,

179 Mark, E.J., Polymer Data Handbook. Oxford University Prss, 2st edittion, 1102, Oxford. Michelle, S. Hoo, Fatt, Sirivolu, D., A wave propagation model for the high velocity impact response of a composite sandwich panel. Elsevier International Journal of Impact Engineering, 37, Mines, R.A.W., Roach, A.M., JONES N., High velocity behaviour of polymer composite laminates. International Journal of Impact Eng, 22, Morye, S.S., Hine, P.J., Ducket, R.A., Carr, D.J., Ward, I.M., Modelling of the energy absorption by polymer composites upon ballistic impact. composites Science and Technology, 60, Muhi, R.J., Najim, F., Moura, M.S.F., The effect of hybridization on the GFRP behavior under high velocity impact. Elsevier Composites Part: B, 40, National Instute of Justice (NIJ), Standard for ballistic resistance of personal body armor Naik, N.K. Shrirao P., Wahington, Composite structures under ballistic impact. Elsevier Composite Structures, 66, Naik, N.K., Shrirao P., Reddy, B.C.K., Ballistic impact behaviour of woven fabric composites: formulation, Elsevier International Journal of Impact Engineering, 32, Novotny, W.R., Cepus, E., Shahkarami, A., Vaziri, R., Poursartip A., Numerical investigation of the ballistic efficiency of multi-ply fabric armours during the early stages of impact. Elsevier International Journal of Solids and Structures, 40, Özek, T., Hafif Silahlara Karşı Zırh Yapımında Kullanılan Polimer Matrisli Kompozitlerin Mekaniksel Özelliklerinin İncelenmesi

180 Parnas, L., Balya, B.,Billur E., Şenel, F., İleri kompozit zırh geliştirme çalışmaları. Zırh Teknolojileri Semineri Mart, MSB ARGE ve Teknoloji D.Bşk.lığı, Ankara, Patts, H.M., 2000, Ballistic impact damage and penetration mechanics of fiber reinforced composite laminates. The Pennsylvania State University Engineering Science&Mechanis, Doktor of Philosophy, 335p, Pennsylvania. Phoenix, S.L., Porwal, P.K., A New membrane model for the ballistic impact response and V 50 performance of multi-ply fibrous systems. Elsevler International Journal of Solids and Structures, 40, Phoenix, S.L., Porwal, P.K., Modeling system effects in ballistic impact into multi-layered fibrous materials for soft body armor.springer International Journal of Fracture, 135, Reid, S.R., Zhou G., Impact behaviour of fibre-reinforced composite materials and structures. ABD-CRC Press, Woodhead Publishing Ltd., 1st edition, 317, Cambridge. Rabb, R., P. Fahrenthold, E., Impact dynamics simulation for multilayer fabrics. International Journal for Numerical Methods in Eng., 8, Serge, A., Ballistic impact on composites. 16th International conference on composite materials, Kyoto, Sheikh, A.H., Bull, P.H., Kepler, J.A., Behaviour of multiple composite plates subjected to ballistic impact. Elsevier Comp. Sciene and Thec., 69, Soy, U., Kompozit Malzemeler. Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, 1. Baskı, 11, Sakarya. Soykasap, O., Çolakoğlu, M., Ballistic performance of Kevlar 29 woven fibre composite under varied temperatures. Mechanics of Composite Materials, 46 (1),

181 Springler, G.S., Kollar, L.P., Mechanics of Composite Structures, Cambridge University Press, 3rd edittion, 494, Cambridge. Staab, G.H., Laminar Composites. Department of Engineering, Butterworth- Heinemann, ISBN , 393, Cambridge. Starratt, D., Sanders, T., Cepus, E., Porsartip, A., Vaziri, R., An efficient method for continous measurment of projectile motion in ballistic impact experiments. Elsevier International Journal of Impact Eng. 24, Sutherland, L.S., Soares, C.G., Impact tests on woven-roving E-glass/polyester laminates. Elsevier Composites Science and Technology 59, Sutherland, L.S., Soares, C.G., The effects of test parameters on the impact response of glass reinforced plastic using an experimental design approach. Composites Science and Technology, 63, Tan, V.B.C., Ching, T.W., Computational simulation of fabric armour subjected to ballistic impacts. Elsevier International Journal of Impact Engineering, 32, Tarakçıoğlu, I., Gülümser, T., Başal, G., Duran, D., Ilgaz, S. Mecit, D., Teknik tekstiller ve kullanım alanları. Tekstil ve Konfeksiyon Cilt 2, Temiz, S., An investigation about ballistic fabrics and test methods, 3-95, Ulven C., Vaidya U.K., Hosur M.V., Effect of projectile shape during ballistic perforation of vartm carbon/epoxy composite panels. Elsevier Composite Structures, 61, Turan, M., Tabakalı kompozit malzemelerde yüksek hızlı darbe hasarı. Mühendis ve Makine, 48 (575),

182 Ulven, C., Vaidya. U.K., Hosur, M.V., Effect of projectile shape during ballistic perforation of VARTM carbon/epoxy composite panels. Elsevier Composite Structures, 61, Vasiliev, V.V., Morozov, E.V., Mechanics and Analysis of Composite Materials. Elsevier Science Ltd., 1st Edittion, 430p, Oxford. Wagner, N.J., Young, S.L., Wetzel E.D., The ballistic impact characteristics of Kevlar woven fabrics impregnated with a colloidal shear thickening fluid. Journal of Materials Science, 38, Walker, J. D., Ballistic limit of fabrics with resin, 19th International Symposium of Ballistics, Interlaken, Switzerland, Wambua, P., Vangrimde, B., Lomov, S., Verposet, I., The response of natural fibre composites to ballistic impact by fragment simulating projectiles. Elsevier Composite Structures, 77, Yu Y.M., Wang X.J., Lim C.W., Ballistic impact of 3D orthogonal woven composite by a spherical bullet: experimental study and numerical simulation. International Journal of Enginnering and Applied Sciences, 1, Yong, M., Iannucci, L., Falzon, B.G., Efficient modelling and optimisation of hybrid multilayered plates subject to ballistic impact. Elsevier International Journal of Impact Engineering, 37, Zatorski, Z., Diagnostics of ballistıc resistance of multilayered shields. Archieve of Mechanical Engineering, LIV, Zhang, G.M., Effect of frame size, frame type and clamping pressure on the ballistic performance of soft body armor. Elsevier Composites Part: B, 39, Zhu, G., Goldsmith W., Dharan, C.K.H., Penetration mechanics of laminated Kevlar by projectiles: analitycal model. Elsevier Solid Struc.,

183 ÖZ GEÇMİŞ Adı Soyadı: Hakan YILMAZ Doğum Yeri ve Yılı: Lüleburgaz/ 1968 Medeni Hali: Evli Yabancı Dili: İngilizce Eğitim Durumu Lise: Ankara Atatürk Anadolu Lisesi-1987 Lisans: Dokuz Eylül Üniversitesi-1994 Yüksek Lisans: Balıkesir Üniversitesi-2007 Çalıştığı Kurumlar ve Yılı: Borusan Makine Servis ve Ticaret A.Ş Ana Bakım Merkezi Komutanlığı Ana Bakım Merkezi Komutanlığı MSB Çorlu İnşaat Emlak Bölge Başkanlığı