아라미드 섬유는 높은 비강도와 높은 파단신율의 특성을 가지고 있으며, 많은 분야에서 유리섬유/수지 복합재료를 완전히 대체할 수 있습니다.
현재 전 세계 각국은 차량 및 개인 병사의 방탄 성능 향상을 위해 다양한 신탄도 소재를 끊임없이 개발하고 최적화하고 있습니다. 고성능 섬유 복합 소재는 경량, 고강도, 우수한 방탄성을 특징으로 하며, 가장 많은 연구가 이루어지고 가장 빠르게 성장하며 가장 유망한 방탄 소재입니다. 미국을 비롯한 군사 선진국들은 고성능 방탄 섬유 및 복합 소재 개발에 특히 주력하고 있습니다. 미 육군 연구소 등 국방 과학 연구 기관과 국방부 지원을 받는 대학들은 최근 몇 년간 많은 연구를 수행해 왔습니다. 본 논문에서는 아라미드 섬유, 탄소 섬유, PBO 섬유의 해외 연구개발 현황, 적용 현황 및 성능 수준을 주로 소개합니다.
1. 아라미드 섬유
아라미드 섬유는 높은 비강도와 높은 파단신율을 특징으로 합니다. 동일한 표면 밀도에서 아라미드/수지 복합재의 방탄성은 유리 섬유/수지 복합재의 2~3배에 달합니다. 다양한 분야에 활용 가능하며, 유리 섬유/수지 복합재를 포괄적으로 대체할 수 있습니다.
미국 클렘슨 대학교의 합동 육군 연구소와 같은 기관에서는 전통적인 유한 요소법을 사용하여 방탄 섬유 매트의 수치 해석을 수행하여 재료의 관통 저항성과 충격에 대한 전반적인 처짐, 변형 및 손상 반응을 결정합니다.팀의 연구원들은 평직 섬유 강화 폴리머 매트릭스 복합재의 탄도 충격/폭발 보호 계산 및 분석 모델을 더욱 최적화하고 업그레이드했습니다.2014년에는 PPTA(poly-p-phenylene terephthalamide) 기반 재료의 미세 구조와 성능 간의 관계를 연구했으며, PPTA 기반 펠트에 대한 다양한 미세 구조적 특성의 영향을 결정하기 위해 다중 길이 스케일 계산 방법을 개발했습니다.거시적 탄도 관통 저항성에 대한 천 또는 PPTA 섬유 강화 폴리머 매트릭스 복합재의 효과.
이탈리아의 카시노(Cassino)와 남부 라치오 대학교(University of Southern Lazio)는 평직 펠트와 열경화성 수지를 결합하여 적층판을 제작하고, 제작된 복합 장갑에 대해 워커(Walker) 수치 모델 예측 및 방탄 성능 시험을 수행했습니다. 미 육군 연구소(US Army Research Laboratory) 등은 평평한 띠 모양의 투명 나일론 모노필라멘트를 보강재로 사용하고, 굴절률과 동일한 투명 에폭시 수지를 매트릭스로 사용하여 약 40%의 광투과율을 갖는 복합 재료를 제작했습니다. 이 재료의 방탄 시험 결과, 얻어진 재료의 V50 값이 305m/s 이상으로 에폭시 수지와 폴리카보네이트보다 훨씬 높은 것으로 나타났습니다.
미국 샌디아 국립연구소는 탄성 섬유사의 횡방향 충격 특성에 대한 꼬임의 영향을 연구하고, 고속 카메라로 충격으로 유도된 오일러 전단파 속도를 측정했습니다. 결과는 오일러 전단파 속도가 섬유사의 꼬임 수에 따라 증가하여 더 높은 탄도 성능을 암시한다는 것을 보여줍니다. 따라서 탄도 섬유 매트에 꼬인 섬유사를 사용하면 재료의 탄도 특성을 향상시킬 수 있습니다. 아라미드 섬유와 초고분자량 폴리에틸렌 섬유의 탄도 특성에 대한 자기장의 영향을 연구했습니다. 연구진은 두 세트의 반대 희토류 자석 사이에 아라미드 섬유와 초고분자량 폴리에틸렌 섬유를 끼워 자기장의 반발이 재료의 탄도 특성에 미치는 영향을 테스트했습니다. 결과는 자기 반발이 총알이 아라미드 섬유의 전면 패널에 들어가는 것을 막을 수 있음을 보여줍니다.
아라미드 섬유의 나노 개질 또는 복합재의 나노 충진 또한 방탄 특성을 향상시킬 수 있습니다. 연구진은 섬유 표면에 수직 ZnO 나노와이어를 성장시켜 계면 강도를 향상시켰습니다. 섬유의 계면 강도는 일반 섬유보다 96.9% 높았고, 인발 시험의 최대 하중은 6.5배 증가했습니다. ZnO 나노와이어는 섬유의 인발 성능을 향상시켜 소재의 방탄 성능도 향상시킵니다.
연구진은 나노입자 필러가 내충격성 복합재에 미치는 영향을 연구하고, 분쇄 탄소 섬유와 나노입자(탄소 나노튜브 및 코어-쉘 고무 입자)로 충전된 섬유 복합재에 대한 V50 방탄 시험을 수행했습니다. 그 결과, 나노-코어-쉘 고무 입자 필러는 캐비테이션 효과를 통해 충격 시 에너지 흡수에 효과적이며, 방탄 성능도 크게 향상되는 것으로 나타났습니다. 탄소 나노튜브 필러는 매트릭스-섬유 계면 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 방탄 성능도 크게 향상시킵니다. 이 두 가지를 통해 복합재의 V50 방탄 성능을 향상시킬 수 있습니다. 복합재에 분쇄 탄소 섬유 질량 분율 1%와 나노입자 1%를 첨가하면 기준 시료 대비 V50이 각각 7.3%(탄소 나노튜브)와 8%(코어-쉘 고무 입자) 증가할 수 있습니다.
2. 탄소섬유
탄소 섬유의 탄성 계수는 일반적으로 기존 유리 섬유의 3배 이상이며, 군 장비 경량화 및 생존성 향상에 중요한 응용 잠재력을 가지고 있습니다.2015년 미국 조지아 공과대학은 폴리아크릴로니트릴(PAN) 방사 기술을 기반으로 겔 방사 연속 탄소 섬유를 제조하는 새로운 공정을 개발했습니다.제조된 PAN 기반 탄소 섬유의 평균 인장 강도는 5.5~5.8GPa이고, 인장 탄성 계수는 354~375GPa이며, 항공우주 분야에서 널리 사용되는 IM7 유형 PAN 기반 탄소 섬유보다 인장 탄성 계수가 25~36% 더 높습니다.최고 가치 조합입니다.앞으로는 재료와 공정을 최적화하여 PAN 기반 탄소 섬유의 강도와 탄성 계수를 동시에 향상시킬 것입니다.
3. PBO 섬유
PBO 섬유는 원래 미 공군에서 개발되었으며, 이후 일본 기업에서 생산되었습니다. PBO 섬유는 아라미드 섬유를 대체할 수 있는 미래의 초고성능 섬유로 알려져 있습니다. 이 섬유는 아라미드 섬유보다 밀도는 낮지만 기계적 물성과 내환경성은 다른 아라미드 섬유보다 훨씬 뛰어납니다.
2006년 캘리포니아 대학교는 미 육군과 자일론 섬유의 탄도 성능을 평가하기 위한 탄도 시험 계약을 체결했습니다. 그 결과, 자일론 섬유는 케블라29보다 성능이 우수하며, 방탄복에 사용될 경우 방호 성능과 기동성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. PBO 섬유는 경량, 고강도, 고탄성률이라는 장점을 가지고 있지만, 방호용 소재로 사용 시 기계적 물성 저하라는 한계를 가지고 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구진은 초임계 이산화탄소 화학 시약 확산 후처리 공정을 개발하여 PBO 섬유의 기계적 물성 저하 속도를 줄이고 수명을 연장했습니다. 매사추세츠 대학교 애머스트 캠퍼스의 연구진은 초임계 CO2 후처리 후 PBO 섬유의 안정화에 대해 연구했습니다. 초임계 CO2를 추출제로 사용하여 PBO 섬유에 남아 있는 인산과 물을 추출하고, 이를 다양한 물질을 도입하는 매개체로 사용했습니다. 이 물질은 인산을 중화하고 PBO 섬유에 대한 물과 산의 분해 효과를 약화시킵니다.
방탄 섬유의 적층은 성능 저하의 원인이 될 수 있습니다. 연구진은 방탄 PBO 섬유의 성능 저하에 대한 접힘(folding) 효과를 조사하고, 이러한 파손 메커니즘이 장갑 방호 성능에 미치는 영향을 실험적으로 확인했습니다. 또한, 탄성 섬유의 내부 구조에 대한 접힘의 영향도 추가로 조사했습니다. 일본 연구진은 PBO 섬유에 대해 많은 연구를 수행해 왔습니다. 예를 들어, 고탄성 PBO 섬유의 인장 강도 및 피로 강도를 향상시키기 위한 열처리 연구와 고탄성 PBO 섬유의 인장 강도에 대한 전단 속도의 영향을 연구했습니다.
