ความก้าวหน้าล่าสุดในการวิจัยเกี่ยวกับหมวกกันกระสุนที่ทำจากวัสดุคอมโพสิตเสริมใยไฟเบอร์

การแนะนำ

ด้วยความขัดแย้งระหว่างประเทศที่ทวีความรุนแรงขึ้น และการพัฒนาที่ซับซ้อนมากขึ้นของการก่อการร้ายและลัทธิสุดโต่งระดับโลก ภัยคุกคามจากสงครามจึงทวีความรุนแรงมากขึ้น ส่งผลให้ความต้องการอุปกรณ์ทางทหาร เช่น หมวกกันกระสุน ต้องมีประสิทธิภาพสูงขึ้น แม้ว่าศีรษะและลำคอจะมีน้ำหนักเพียง 12% ของร่างกายทหาร แต่การบาดเจ็บที่ศีรษะกลับเป็นสาเหตุของการเสียชีวิตในการสู้รบถึงครึ่งหนึ่ง การบาดเจ็บที่สมอง (TBI) เป็นสาเหตุทั่วไปของการเสียชีวิตและความพิการของทหาร และกลายเป็นลักษณะเด่นของการบาดเจ็บในความขัดแย้งทางทหารสมัยใหม่ ข้อมูลแสดงให้เห็นว่ากระสุนหรือสะเก็ดระเบิดความเร็วสูงในสนามรบสามารถก่อให้เกิดการบาดเจ็บถึงแก่ชีวิตได้ประมาณ 80% โดย 45% เกิดขึ้นที่ศีรษะ เมื่อเผชิญกับกระสุนหรือสะเก็ดระเบิดความเร็วสูงที่อาจมาจากทุกทิศทางในสนามรบ หมวกกันกระสุนสามารถดูดซับหรือลดพลังงานจลน์จากการกระแทกของกระสุนและสะเก็ดระเบิดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดความเสียหายต่อเครือข่ายประสาทและหลอดเลือดในสมองที่เกิดจากคลื่นพลังงานที่เกิดจากกระสุนภายในสมอง ซึ่งจะช่วยลดอัตราการเสียชีวิตของกำลังพลได้ จากการศึกษาพบว่ากำลังพลที่สวมหมวกกันกระสุนสามารถลดอัตราการเสียชีวิตได้ประมาณ 20% ดังนั้น ปัจจุบันจึงมีความจำเป็นต้องพัฒนาหมวกกันกระสุนที่มีประสิทธิภาพในการป้องกันที่ดีกว่า น้ำหนักเบากว่า และสวมใส่สบายกว่า เพื่อรับมือกับสภาพแวดล้อมในสนามรบที่ซับซ้อนมากขึ้น และปกป้องชีวิตของทหาร

หมวกกันกระสุนสมัยใหม่รุ่นแรกของโลกคือหมวกเหล็ก M1915 จากสงครามโลกครั้งที่ 1 โดยอิงจากหมวกนี้ กองทัพสหรัฐฯ ได้ผลิตหมวก M1917 ขึ้น และในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 ก็ได้พัฒนาหมวกเหล็ก M1 ซึ่งเป็นหมวกเหล็กเฉพาะของกองทัพสหรัฐฯ และเป็นหมวกเหล็กสมัยใหม่ที่ใช้งานได้นานที่สุด ต่อมา ด้วยการพัฒนาเส้นใยประสิทธิภาพสูงและวัสดุผสม หมวกเหล็กจึงค่อยๆ หายไปจากกระแสหลัก ตัวอย่างเช่น หมวก PASGT เนื่องจากความสะดวกสบายและการป้องกันสูง จึงเริ่มถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในกองทัพสหรัฐฯ ประเทศจีนก็ประสบความสำเร็จในการพัฒนาหมวกกันกระสุนวัสดุผสมแบบใหม่ คือ หมวกอะรามิด QGF02 ในปี 1993 นับตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 21 ประเทศต่างๆ ได้พัฒนาหมวกกันกระสุนที่มีน้ำหนักเบา การป้องกันสูง และการรวมระบบสูงอย่างต่อเนื่อง เช่น หมวกต่อสู้ IHPS ของกองทัพสหรัฐฯ หมวก W-15 ของจีน และหมวก VIRTUS ของสหราชอาณาจักร ภาพที่ 1 แสดงภาพถ่ายทางประวัติศาสตร์ของหมวกกันกระสุนของกองทัพจีนและอเมริกา แถวแรกแสดงหมวกกันน็อคของจีน และแถวที่สองแสดงหมวกกันน็อคของอเมริกา

ด้วยความขัดแย้งทางทหารที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องทั่วโลกและสภาพแวดล้อมการสู้รบในเมืองและภาคสนามที่ซับซ้อนมากขึ้น การพัฒนาหมวกกันกระสุนที่ตอบสนองความต้องการของสงครามในอนาคต—ซึ่งให้การป้องกันประสิทธิภาพสูง ฟังก์ชันอัจฉริยะ ความสะดวกสบายและความสามารถในการปรับตัว การผลิตที่รวดเร็ว และการปรับแต่ง—จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับรองความปลอดภัยของทหาร เพิ่มประสิทธิภาพการรบทางทหาร และปรับตัวให้เข้ากับความต้องการในการรบที่หลากหลาย ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของวิทยาศาสตร์วัสดุ ปัจจุบันหมวกกันกระสุนส่วนใหญ่ทำจากวัสดุคอมโพสิตเสริมใย ซึ่งให้ทั้งน้ำหนักเบา การป้องกันสูง และความสะดวกสบาย หมวกกันกระสุนที่ผสานฟังก์ชันการทำงานเข้าด้วยกันนี้สามารถปรับปรุงขีดความสามารถในการรบโดยใช้ข้อมูลของทหารแต่ละนายได้อย่างมีนัยสำคัญ บทความนี้แนะนำวัสดุคอมโพสิตเสริมใยประสิทธิภาพสูงที่ใช้ในหมวกกันกระสุนและโครงสร้างผ้ากันกระสุนที่ใช้ และสรุปเทคโนโลยีการขึ้นรูปหมวกกันกระสุนอย่างเป็นระบบ โดยให้ข้อมูลอ้างอิงสำหรับการออกแบบและการผลิตหมวกกันกระสุนคอมโพสิตเสริมใยในอนาคต

1. วัสดุคอมโพสิตเสริมใยสำหรับหมวกกันกระสุน

1.1 คาร์บอนไฟเบอร์

ในศตวรรษที่ผ่านมา หมวกกันกระสุนแบบคอมโพสิตส่วนใหญ่ทำจากวัสดุคอมโพสิตเส้นใยอะรามิด ในศตวรรษนี้ เส้นใย UHMWPE ได้ค่อยๆ เข้ามาแทนที่เส้นใยอะรามิดในฐานะวัสดุหลักในด้านการป้องกันกระสุน คาร์บอนไฟเบอร์ เนื่องจากมีความแข็งและความแข็งแรงสูงมาก จึงมักนำมาผสมกับเส้นใยอะรามิดและเส้นใย UHMWPE ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ดีเยี่ยมในด้านการป้องกันกระสุน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีเส้นใยประสิทธิภาพสูงชนิดใหม่ เช่น เส้นใย PBO และเส้นใย PIPD เกิดขึ้น มี นอกจากนี้ยังได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในด้านการป้องกันกระสุนปืน คุณสมบัติทางกลพื้นฐานของวัสดุคอมโพสิตเสริมใยประสิทธิภาพสูงแสดงอยู่ในตารางที่ 1



เส้นใยคาร์บอนได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 และ 1960 เนื่องจากมีค่าโมดูลัสสูง ความแข็งแรงดึงสูง เสถียรภาพที่อุณหภูมิสูง และความต้านทานการกัดกร่อนสูง จึงได้รับความสนใจและใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านการบินและอวกาศและการทหารมาอย่างยาวนาน เส้นใยคาร์บอนหมายถึงเส้นใยประสิทธิภาพสูงที่มีปริมาณคาร์บอนประมาณ 95% ซึ่งผลิตโดยกระบวนการคาร์บอนไนเซชันแบบของแข็งของเส้นใยอินทรีย์ ปัจจุบัน เส้นใยคาร์บอนที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ทั่วโลกส่วนใหญ่ผลิตจากเส้นใยโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAC) เนื่องจากมีความแข็งและความแข็งแรงสูงมาก เส้นใยคาร์บอนจึงมักถูกผสมกับเส้นใยประสิทธิภาพสูงอื่นๆ เพื่อสร้างวัสดุคอมโพสิตกันกระสุน ตัวอย่างเช่น มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีหนานยางและบริษัท DSM ได้นำเส้นใย UHMWPE มาเคลือบร่วมกับเส้นใยคาร์บอน ซึ่งช่วยปรับปรุงความสามารถในการป้องกันกระสุนได้อย่างมาก โดยการเปลี่ยนลำดับการเรียงซ้อนเพื่อลดความเร็วปลายแผ่นคอมโพสิตกันกระสุน (BFS) แม้ว่าวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จะมีค่าโมดูลัสแรงดึงและความแข็งแรงแรงดึงสูง แต่การยืดตัวต่ำ ณ จุดขาด ทำให้ประสิทธิภาพในการดูดซับพลังงานลดลง ซึ่งจำกัดการนำไปใช้ในการป้องกันกระสุนปืน

1.2 เส้นใยอะรามิด

เส้นใยอะรามิด เส้นใยอะรามิดเป็นเส้นใยที่สังเคราะห์ขึ้น ได้แก่ โพลี(พี-ฟีนิลีนเทเรฟทาลาไมด์) (PPTA), โพลี(เอ็ม-ฟีนิลีนไอโซฟทาลาไมด์) (PMIA), เส้นใยอะรามิดอะโรมาติกเฮเทอโรไซคลิกที่มีอะตอมต่างชนิด และเส้นใยอะรามิดอะโรมาติกออร์โธอะรามิด ปัจจุบัน เส้นใยอะรามิดที่ผลิตหลักของโลก ได้แก่ พารา-อะรามิด (PPTA) และ เมตา-อะรามิด (PMIA) ในบรรดาเส้นใยเหล่านี้ เส้นใยเคฟลาร์จาก DuPont และเส้นใยทวารอนจาก Teijin ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการป้องกันกระสุน หมวกกันกระสุน PASGT ที่พัฒนาขึ้นในทศวรรษ 1980 ทำจากวัสดุคอมโพสิตเส้นใยเคฟลาร์ 29 และหมวกต่อสู้ ACH ที่มีชื่อเสียงในภายหลังทำจากวัสดุคอมโพสิตเส้นใยเคฟลาร์ 129 เส้นใยอะรามิดมีกำลังรับแรงจำเพาะสูง โมดูลัสสูง และอัตราการดูดซับพลังงานสูง และถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการป้องกันกระสุน แม้ว่าเส้นใยอะรามิดจะมีช่วงการใช้งานที่กว้าง แต่ความไวต่อการสลายตัวภายใต้แสงอัลตราไวโอเลตและการไฮโดรไลซิสเนื่องจากการดูดซับความชื้นได้จำกัดการพัฒนาของเส้นใยเหล่านี้ อายุการใช้งานของเส้นใยจะสั้นลงอย่างมากและประสิทธิภาพการป้องกันจะลดลงในแสงอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงหรือสภาพแวดล้อมที่ชื้น

1.3 เส้นใย UHMWPE

เส้นใย UHMWPE เนื่องจากคุณสมบัติพิเศษ เช่น ความหนาแน่นต่ำ ความต้านทานแรงกระแทกดีเยี่ยม อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง ประสิทธิภาพการลดแรงสั่นสะเทือนสูง และความต้านทานการกัดกร่อน เส้นใย UHMWPE จึงถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในหลากหลายสาขา ปัจจุบัน เส้นใย UHMWPE ที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดในระดับสากล ได้แก่ Dyneema ที่ผลิตโดย DSM และ Spectra ที่ผลิตโดย Honeywell เนื่องจากคลื่นกระแทกส่วนใหญ่จะแพร่กระจายขนานกับทิศทางของเส้นใยเมื่อวัสดุคอมโพสิตเสริมแรงด้วยเส้นใยเผชิญกับแรงกระแทกที่มีความรุนแรงสูง เส้นใย UHMWPE ที่มีความแข็งแรงสูงจึงสามารถทำหน้าที่เป็นช่องทางพลังงานสูงเพื่อกระจายพลังงานจากการกระแทกไปทั่วโครงสร้าง คุณสมบัตินี้สามารถสกัดกั้นกระสุนปืนพกทั่วไปและเศษกระสุนความเร็วต่ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ และถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในงานต่างๆ เช่น เกราะป้องกันตัวแบบอ่อน นอกจากนี้ เมื่อเทียบกับเส้นใยคาร์บอนและเส้นใยอะรามิด เส้นใย UHMWPE มีความหนาแน่นต่ำกว่าอย่างมาก ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการลดน้ำหนักของหมวกกันกระสุน ยิ่งไปกว่านั้น ความเหนียวสูง ความต้านทานรังสียูวี และความต้านทานการกัดกร่อนของเส้นใย UHMWPE ทำให้เป็นวัสดุเส้นใยป้องกันกระสุนที่มีประสิทธิภาพดีที่สุดในระบบอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของเส้นใย UHMWPE ค่อนข้างอ่อน และจะเกิดการคืบตัวเมื่ออุณหภูมิในการแปรรูปเกิน 130°C ที่อุณหภูมิหลอมเหลว (ประมาณ 150°C) อัตราการคืบตัวจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ลดอายุการใช้งานลงอย่างมาก นอกจากนี้ พื้นผิวที่ไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมีของเส้นใย UHMWPE ยังส่งผลให้ความแข็งแรงในการยึดเกาะระหว่างพื้นผิวกับเรซินต่ำ ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการผลิตและการใช้งานของวัสดุคอมโพสิตเส้นใย UHMWPE

1.4 เส้นใยประสิทธิภาพสูงชนิดอื่นๆ

เส้นใยโพลี(พี-ฟีนิลีนเบนโซบิสออกซาโซล) ถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกโดยห้องปฏิบัติการวัสดุของกองทัพอากาศสหรัฐฯ ในฐานะวัสดุที่ทนต่ออุณหภูมิสูง และต่อมาได้รับการผลิตเชิงพาณิชย์โดยบริษัทโตโยโบ จำกัด ของญี่ปุ่น โดยใช้ชื่อว่า ไซลอน (Zylon) เส้นใย PBO เส้นใย PBO มีความแข็งแรงสูง โมดูลัสสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง และหน่วงไฟ ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมดีที่สุดในบรรดา "เส้นใยอินทรีย์" ทั้งหมด ในปี 2546 สหรัฐอเมริกาได้ผลิตตัวอย่างหมวกกันน็อคโดยใช้เส้นใย PBO แต่มีน้ำหนักเพียง 0.8 กิโลกรัม เบากว่าหมวกกันน็อคที่ทำจากเส้นใยอะรามิดที่มีระดับการป้องกันเดียวกันประมาณ 0.55 กิโลกรัม โมดูลัสแรงดึงของเส้นใย PBO อยู่ที่ประมาณ 270 GPa ซึ่งสูงกว่าเส้นใยพาราอะรามิดประมาณสามเท่า อย่างไรก็ตาม เส้นใย PBO มีความคงทนต่อแสงต่ำมากและมีพื้นผิวเรียบและหนาแน่น ส่งผลให้การยึดเกาะระหว่างพื้นผิวกับเมทริกซ์คอมโพสิตอ่อนแอ ประสิทธิภาพของมันจะลดลงอย่างมากในสภาพแวดล้อมที่ชื้นและร้อน ซึ่งจำกัดการใช้งานในหมวกกันกระสุน

เส้นใย PIPD เป็นเส้นใยพอลิเมอร์เฮเทอโรไซคลิกอะโรมาติกผลึกเหลวชนิดใหม่ที่พัฒนาขึ้นจากสายโซ่โมเลกุล PBO หรือที่รู้จักกันในชื่อเส้นใย M5 เส้นใย PIPD ได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกโดย Akzo Nobel ในประเทศเนเธอร์แลนด์ และวิธีการผลิตหลักในปัจจุบันคือการปั่นแบบแห้ง-เปียก (dry-jet wet spinning) วัตถุดิบหลักได้แก่ TAP และ DHTA เส้นใย PIPD มีค่าโมดูลัสความยืดหยุ่น 150 GPa และความแข็งแรงดึง 2.5 GPa PIPD เป็นเส้นใยประสิทธิภาพสูงที่มีโครงสร้างแท่งแข็งและพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลที่แข็งแรง แสดงให้เห็นถึงความแข็งแรงในการรับแรงอัดที่สูงกว่าเส้นใย PBO อย่างมาก อย่างไรก็ตาม ความเฉื่อยของพื้นผิวของเส้นใย PIPD ลดปฏิสัมพันธ์ระหว่างเส้นใยและเรซิน จึงลดประสิทธิภาพโดยรวมของวัสดุคอมโพสิต นอกจากนี้ ความเปราะบางภายใต้แรงกระแทกยังส่งผลต่อประสิทธิภาพการป้องกันกระสุนอีกด้วย

2. โครงสร้างผ้าบัลลิสติก

ผ้ากันกระสุนโดยทั่วไปหมายถึงเส้นใยประสิทธิภาพสูงที่ดูดซับพลังงานจลน์จากการกระแทกผ่านการแตกหักของเส้นใย การเสียรูปของผ้า และแรงเสียดทานระหว่างเส้นใยกับกระสุนที่พุ่งชน ซึ่งช่วยลดหรือป้องกันการบาดเจ็บของผู้สวมใส่จากการกระแทกด้วยความเร็วสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพการป้องกันกระสุนของผ้ากันกระสุนส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของผ้าและคุณสมบัติของเส้นใย โดยทั่วไปแล้ว ผ้าไม่ทอสามารถแบ่งตามกระบวนการผลิตได้เป็นผ้าไม่ทอแบบทิศทางเดียว (UD) ผ้าทอสองมิติ และผ้าทอสามมิติ

2.1 ผ้าไม่ทอแบบทิศทางเดียว

ผ้า UD ถูกนำเสนอครั้งแรกโดย Allied Signal ในปี 1988 โดยผลิตโดยการจัดเรียงเส้นใยให้ขนานกัน แล้วนำมาเคลือบด้วยทิศทาง 0/90 หรือ 0/90/±45° จากนั้นจึงเชื่อมติดด้วยเรซินเทอร์โมพลาสติก ผ้า UD แบบชั้นเดียวมีประสิทธิภาพในการป้องกันกระสุนและดูดซับพลังงานได้ดีกว่าผ้าทอแบบ 2 มิติและ 3 มิติ อีกทั้งยังมีความยืดหยุ่นและคุณภาพสูงกว่า ข้อดีของผ้า UD คือไม่มีการไขว้หรือการม้วนงอ ทำให้คลื่นสะท้อนสามารถแพร่กระจายไปในพื้นที่กว้างเมื่อกระทบเป้าหมาย ส่งผลให้ความเร็วในการส่งผ่านเร็วขึ้นและมีเส้นใยจำนวนมากขึ้นที่ช่วยในการทะลุทะลวงของกระสุน วัสดุคอมโพสิตเส้นใย UHMWPE มักใช้โครงสร้างผ้า UD เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการป้องกันและการดูดซับพลังงานที่ดีขึ้น และกลไกการเกิดความเสียหายของผ้า UD ที่มีความหนาต่างกันก็แตกต่างกันด้วย ตัวอย่างเช่น กลไกการแตกหักของการเจาะทะลุในวัสดุคอมโพสิต UHMWPE แบบทิศทางเดียวคือการแตกหักแบบเฉือนและการเสียดสีของรู (ระหว่างกระสุนกับชิ้นงาน) ในกรณีที่เกิดการทะลุในแผ่นลามิเนตคอมโพสิต UHMWPE หนา กลไกความเสียหายหลัก ได้แก่ การแยกชั้นของคอมโพสิต แรงดึงของเส้นใย และการขยายตัว

ดังที่แสดงในการเปรียบเทียบโครงสร้างของผ้ากันกระสุน ผ้าไม่ทอแบบทิศทางเดียวจะจัดเรียงเส้นใยขนานกัน โดยมีทิศทาง 0/90 หรือ 0/90/±45° และเคลือบด้วยเรซินเทอร์โมพลาสติก ข้อดีของวัสดุนี้ ได้แก่ ความยืดหยุ่นที่ดี น้ำหนักเบา ไม่มีจุดตัดหรือการม้วนงอ และการแพร่กระจายของคลื่นที่รวดเร็ว เส้นใยจำนวนมากมีส่วนร่วมในการทะลุทะลวงของกระสุน โครงสร้างนี้มักใช้ในวัสดุคอมโพสิตเส้นใย UHMWPE เพื่อปรับปรุงการป้องกันและประสิทธิภาพการดูดซับพลังงาน ปัญหาคือ รูปแบบความเสียหายจะแตกต่างกันไปตามความหนา: การทะลุทะลวงในวัสดุคอมโพสิต UHMWPE แบบทิศทางเดียวส่วนใหญ่เกิดจากความเสียหายจากการเฉือนและแรงเสียดทานของรู ในขณะที่การทะลุทะลวงในวัสดุคอมโพสิต UHMWPE ที่หนาส่วนใหญ่เกิดจากการแยกชั้นของคอมโพสิต แรงดึงของเส้นใย และการขยายตัว

2.2 ผ้าทอสองมิติ

ผ้าทอสองมิติประกอบด้วยเส้นด้ายยืนและเส้นด้ายพุ่งที่สานกันเป็นมุมฉาก โดยส่วนใหญ่ได้แก่ ผ้าทอธรรมดา ผ้าทอลายทแยง และผ้าทอซาติน ดังแสดงในรูป โครงสร้างการป้องกันกระสุนที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือผ้าทอธรรมดาแบบสองมิติ ผ้าทอสองมิติสามารถเย็บเป็นหลายชั้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันกระสุน ลดระดับการยุบตัว (BFS) และลดความเสียหายจากคลื่นกระแทกของกระสุนต่อสมองของมนุษย์ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการโค้งงอของเส้นใยและการผันผวนของเส้นใยภายในผ้าทอสองมิติ คลื่นความเครียดอาจซ้อนทับและสะท้อนกลับ ทำให้เกิดการยืดตัวและการแตกหักของเส้นใยมากเกินไป ซึ่งจะลดความสามารถในการป้องกันกระสุนของเส้นใยลง

ดังแสดงในรูปที่ 2 แบบจำลองทางเรขาคณิตของผ้าสองมิติจะแตกต่างกันไปตามลักษณะการทอ ดังแสดงในตารางที่ 2 ผ้าทอสองมิติประกอบด้วยเส้นด้ายยืนและเส้นด้ายพุ่งที่สานกันเป็นมุมฉาก รวมถึงโครงสร้างการทอแบบธรรมดา การทอแบบทวิลล์ และการทอแบบซาติน การทอแบบธรรมดาสองมิติเป็นโครงสร้างป้องกันกระสุนที่ใช้กันทั่วไป ข้อดีของประสิทธิภาพ ได้แก่ ความสามารถในการเย็บเป็นหลายชั้น ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันกระสุน ลดรอยบุ๋มจากกระสุน (BFS) และลดความเสียหายต่อสมองจากคลื่นกระแทกของกระสุน ปัญหา ได้แก่ การงอและการกระเพื่อมของเส้นใยภายในพื้นผิวผ้าทอ ทำให้คลื่นความเครียดซ้อนทับและสะท้อน ส่งผลให้เส้นใยยืดตัวมากเกินไปและแตกหัก จึงลดความสามารถในการป้องกันกระสุน ปัญหาเฉพาะอย่างหนึ่งคือปลายแหลมที่เห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับเส้นใยเคฟลาร์ 30 ชั้น

2.3 ผ้าทอสามมิติ

สำหรับหมวกกันกระสุนที่ทำจากผ้าทอสองมิติ การตัดเย็บมักจะทำให้เส้นใยขาดความต่อเนื่อง ลดประสิทธิภาพการป้องกันกระสุนของหมวก นอกจากนี้ ผ้าทอสองมิติมักมีการยึดเกาะด้านข้างที่อ่อนแอ ทำให้เกิดการแยกชั้นได้ง่าย ผ้าทอสามมิติที่ใช้เส้นด้ายยืนและเส้นด้ายพุ่งทั้งในแนวราบและแนวยาวเพื่อสร้างผ้าสามมิติแบบบูรณาการ ช่วยลดปัญหาที่เกี่ยวข้องกับผ้าทอสองมิติได้อย่างมาก รูปที่ 3 แสดงแผนภาพโครงสร้างของแบบจำลองผ้าทอสามมิติแบบตั้งฉาก ผ้าทอสามมิติเชื่อมต่อกันด้วยการเย็บเส้นด้ายในแนวยาว ซึ่งช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นเฉพาะจุด ลดความเครียดที่จุดกระทบของกระสุน ยืดเวลาการสัมผัสระหว่างกระสุนกับผ้า และกระจายความเครียดไปยังพื้นที่ที่กว้างขึ้นรอบจุดกระทบของกระสุน Justyna Pinkos และคณะ ได้เปรียบเทียบความต้านทานการทะลุทะลวงของกระสุนของผ้าทอสองมิติและสามมิติที่ทำจากเส้นใยเคฟลาร์ 30 ชั้น พวกเขาพบว่า เมื่อเผชิญกับการทะลุทะลวงของกระสุนในระดับเดียวกัน ผ้าทอสามมิติจำเป็นต้องมีจำนวนชั้นที่หนากว่าเพื่อดูดซับคลื่นกระแทก อย่างไรก็ตาม ผ้าทอสามมิติไม่มีจุดแหลมคมที่ชัดเจน ในขณะที่ผ้าทอสองมิติมีจุดแหลมคมที่เห็นได้ชัดเจนกว่ามาก


ดังแสดงในรูปที่ 2 ข้างต้น ผ้าทอสามมิติใช้เส้นด้ายยืนและเส้นด้ายพุ่งตามแนวขวางและแนวยาวเพื่อสร้างพื้นที่ที่เป็นเนื้อเดียวกัน โดยเย็บผ้าสามมิติเข้าด้วยกันโดยใช้เส้นด้ายตามแนวยาว ข้อดีของผ้าชนิดนี้ ได้แก่ การลดปัญหาการขาดความต่อเนื่องของเส้นใย การยึดเกาะตามแนวขวางที่อ่อนแอ และการแยกชั้นง่ายที่เกี่ยวข้องกับการตัดเย็บในผ้าทอสองมิติ การเพิ่มความยืดหยุ่นเฉพาะจุด ลดความเครียด ณ จุดที่กระสุนกระทบ ยืดเวลาการสัมผัสระหว่างกระสุนกับผ้า และกระจายความเครียดไปในพื้นที่ที่กว้างขึ้น ปัญหาคือ เมื่อเผชิญกับการทะลุทะลวงของกระสุนในระดับเดียวกัน จำเป็นต้องใช้ชั้นผ้าที่หนาขึ้นเพื่อดูดซับคลื่นกระแทกของกระสุน ปัญหาเฉพาะอย่างหนึ่งคือ เมื่อเทียบกับเส้นใยเคฟลาร์ 30 ชั้นแล้ว ไม่มีจุดแหลมคมที่ชัดเจน

3. เทคโนโลยีการขึ้นรูปวัสดุผสมสำหรับหมวกกันกระสุน

หมวกกันกระสุนส่วนใหญ่ประกอบด้วยเปลือกนอก ซับใน และระบบกันกระแทก โดยหลักแล้วจะดูดซับพลังงานจากการกระแทกของกระสุนหรือสะเก็ดระเบิดความเร็วสูงผ่านการเสียรูปและการแตกหักของเปลือกนอก ดังนั้น กระบวนการผลิตเปลือกหมวกจึงมีบทบาทสำคัญต่อประสิทธิภาพการป้องกัน วิธีการขึ้นรูปดั้งเดิมนั้นเกี่ยวข้องกับการจัดเรียงเส้นใยประสิทธิภาพสูงอย่างเป็นระเบียบก่อน จากนั้นจึงเตรียมวัสดุคอมโพสิตเส้นใยด้วยเรซินเทอร์โมพลาสติกหรือเทอร์โมเซตติง วัสดุคอมโพสิตเส้นใยที่ตัดและวางแล้วจะถูกนำไปขึ้นรูปด้วยแรงดันสูงในเครื่องอัดโลหะที่ให้ความร้อน ในระหว่างการผลิตหมวก จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องแน่ใจว่ามีการกระจายวัสดุอย่างสม่ำเสมอและพื้นผิวเปลือกเรียบ ลดช่องว่างระหว่างชั้นต่างๆ และลดความเข้มข้นของความเค้นระหว่างการเจาะทะลุของกระสุน การผลิตเปลือกหมวกกันกระสุนในปัจจุบันใช้เทคโนโลยีการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิต เช่น การขึ้นรูปด้วยมือ การขึ้นรูปด้วยการถ่ายโอนเรซิน (RTM) การขึ้นรูปด้วยความร้อน และการขึ้นรูปตามขนาดสุทธิ

3.1 กระบวนการขึ้นรูปด้วยมือ (Hand Lay-up Molding Process)

การขึ้นรูปด้วยมือ หรือที่เรียกว่าการขึ้นรูปโดยการสัมผัส เป็นเทคโนโลยีการขึ้นรูปที่เก่าแก่และใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการผลิตหมวกกันกระสุนจากวัสดุคอมโพสิต การขึ้นรูปด้วยมือส่วนใหญ่เป็นการทำงานด้วยมือ โดยมีการใช้เครื่องจักรอย่างจำกัด ต้องอาศัยทักษะทางเทคนิคสูงจากผู้ปฏิบัติงาน ต้องมีความคุ้นเคยกับคุณสมบัติทางโครงสร้างของผลิตภัณฑ์ และความเชี่ยวชาญในการตัดและการวางเส้นใยเสริมแรง รวมถึงการปรับสภาพพื้นผิวแม่พิมพ์ แม้ว่าการขึ้นรูปด้วยมือจะมีต้นทุนต่ำ บำรุงรักษาง่าย แม่พิมพ์ไม่จำกัดขนาดหรือรูปร่างของผลิตภัณฑ์ ช่วยให้สามารถปรับเปลี่ยนชิ้นส่วนต่างๆ ได้อย่างยืดหยุ่นตามความต้องการของการออกแบบ และสะดวกในการขึ้นรูปที่อุณหภูมิห้อง แต่โดยทั่วไปแล้วเหมาะสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ขนาดเล็กเท่านั้น ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปมักมีคุณสมบัติทางกลที่ไม่สม่ำเสมอ ความเสถียรต่ำ และประสิทธิภาพการป้องกันที่ไม่คงที่

ตารางที่ 3 แสดงการเปรียบเทียบเทคโนโลยีการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตสำหรับหมวกกันกระสุน การขึ้นรูปด้วยมืออาศัยทักษะของคนงานเป็นอย่างมาก ส่งผลให้คุณสมบัติทางกลไม่สม่ำเสมอ ความเสถียรต่ำ และประสิทธิภาพการป้องกันไม่คงที่ในผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป มีประสิทธิภาพต่ำที่สุด ต้องการอุปกรณ์ที่เรียบง่ายและการลงทุนต่ำ แต่มีต้นทุนแรงงานสูง ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนน้อย การผลิตตามสั่ง การพัฒนาต้นแบบ หรือการผลิตหมวกกันกระสุนจำนวนน้อยในกรณีฉุกเฉิน

3.2 การขึ้นรูปด้วยการถ่ายโอนเรซิน (RTM)

RTM (Resin Transfer Molding) เป็นเทคโนโลยีการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตที่เกี่ยวข้องกับการฉีดเรซินที่มีความหนืดต่ำ เช่น โพลีเอสเตอร์หรืออีพ็อกซีเรซิน เข้าไปในแม่พิมพ์ปิด เพื่อให้เส้นใยประสิทธิภาพสูงหรือวัสดุเสริมแรงอื่นๆ แทรกซึมเข้าไปอย่างทั่วถึงและสม่ำเสมอ จากนั้นจึงทำการอบให้แข็งตัว เมื่อเปรียบเทียบกับการขึ้นรูปด้วยมือแบบดั้งเดิม เทคโนโลยี RTM ผลิตวัสดุที่มีความทนทานต่อแรงกระแทกสูงกว่า คุณสมบัติทางกลของวัสดุโดยรวมสม่ำเสมอกว่า ต้นทุนต่ำกว่า ผลิตซ้ำได้ง่ายกว่า มีความแม่นยำของมิติสูงกว่า และมีพื้นผิวที่เรียบเนียนกว่า อย่างไรก็ตาม เมื่อผลิตวัสดุคอมโพสิตที่มีโครงสร้างซับซ้อนและปริมาตรมาก การขึ้นรูป RTM มักประสบปัญหา เช่น การไหลของเรซินไม่สม่ำเสมอ การแทรกซึมของเส้นใยไม่เพียงพอ และเวลาในการขึ้นรูปนานเกินไป ซึ่งนำไปสู่ความคลาดเคลื่อนระหว่างคุณสมบัติทางกล ความแข็งแรง และความแม่นยำของผลิตภัณฑ์คอมโพสิตที่คาดหวัง แผนภาพกระบวนการแสดงในรูปที่ 4

ดังแสดงในรูปที่ 3 ข้างต้น ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตโดยใช้เทคโนโลยีการขึ้นรูปด้วยการถ่ายโอนเรซิน (Resin Transfer Molding) มีลักษณะเด่นคือ การกระจายตัวของเรซินสม่ำเสมอ ความพรุนต่ำ คุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม และประสิทธิภาพการป้องกันที่ดี สามารถผลิตได้ในปริมาณมากด้วยประสิทธิภาพสูงและการลงทุนเริ่มต้นที่ไม่สูงมากนัก โดยสร้างสมดุลระหว่างการผลิตจำนวนมากกับการปรับแต่งเฉพาะสำหรับหมวกกันน็อคที่มีข้อกำหนดด้านคุณภาพสูงและโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น หมวกกันน็อคสำหรับหน่วยรบพิเศษ

3.3 กระบวนการขึ้นรูปด้วยความร้อน

การขึ้นรูปด้วยความร้อนเป็นกระบวนการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตที่ใช้กันทั่วไป ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อคุณภาพการขึ้นรูปหมวกกันกระสุน ได้แก่ อุณหภูมิการขึ้นรูป เวลาในการขึ้นรูป และแรงดันในการขึ้นรูป ขั้นตอนแรก เส้นใยประสิทธิภาพสูงจะถูกผสมกับเรซินเทอร์โมเซตติงหรือเทอร์โมพลาสติกเพื่อเตรียมพรีเพรก จากนั้น แม่พิมพ์จะถูกอุ่นและรักษาอุณหภูมิให้คงที่ พรีเพรกจะถูกวางลงในแม่พิมพ์ แล้วกดขอบและปิดแม่พิมพ์ อุณหภูมิของแม่พิมพ์จะถูกเพิ่มขึ้นจนถึงอุณหภูมิการขึ้นรูป ใส่แรงดัน และหลังจากรักษาอุณหภูมิแล้ว แม่พิมพ์จะถูกทำให้เย็นลงและแยกออกจากแม่พิมพ์ สุดท้าย ผลิตภัณฑ์ที่เสร็จแล้วจะถูกนำออกเพื่อซ่อมแซม ในระหว่างการขึ้นรูปด้วยความร้อน ต้องมีการตรวจสอบสภาวะการขึ้นรูปอย่างระมัดระวัง ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิการอบแห้งของหมวกคอมโพสิต UHMWPE โดยทั่วไปจะไม่เกิน 130℃ แผนผังกระบวนการขึ้นรูปด้วยความร้อนสำหรับหมวกกันกระสุนแสดงในรูปที่ 5



ดังแสดงในตารางที่ 3 ข้างต้น ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตโดยใช้กระบวนการขึ้นรูปด้วยความร้อนมีความแม่นยำในการขึ้นรูปและเสถียรภาพทางมิติสูง ตรงตามมาตรฐานการป้องกันประสิทธิภาพสูง นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นถึงความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์ที่ดีและเหมาะสมสำหรับการผลิตในปริมาณมาก อย่างไรก็ตาม ต้นทุนการผลิตสูง และอุณหภูมิและความดันสูงใช้พลังงานมาก ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมากแบบมาตรฐาน เช่น หมวกกันกระสุนประสิทธิภาพสูง เป็นต้น ในการจัดซื้ออุปกรณ์ทางทหารแบบดั้งเดิม

3.4 เทคโนโลยีการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ขนาดสุทธิ

เทคโนโลยีการขึ้นรูปด้วยการฉีดเจล หรือที่รู้จักกันในชื่อเทคโนโลยีการขึ้นรูปด้วยการฉีดเจล เป็นวิธีการขึ้นรูปขั้นสูงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเซรามิก วัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะ และสาขาอื่นๆ หลักการของเทคโนโลยีนี้คือการผสมโมโนเมอร์อินทรีย์ สารเชื่อมโยง และสารเติมแต่งอื่นๆ เข้ากับผงเซรามิกหรือโลหะอย่างสม่ำเสมอเพื่อสร้างสารละลายข้น หลังจากฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์แล้ว สารเริ่มต้นจะกระตุ้นปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของโมโนเมอร์ ทำให้สารละลายข้นกลายเป็นเจลและแข็งตัวในทันที เทคโนโลยีนี้มีข้อดีมากมาย ทำให้สามารถผลิตชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อนและมีความแม่นยำสูง ชิ้นงานที่ได้มีความสม่ำเสมอดีและมีความแข็งแรงสูง ช่วยลดขั้นตอนการแปรรูปในภายหลังได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น ในการผลิตชิ้นส่วนเซรามิกทนความร้อนสูงสำหรับเครื่องยนต์อากาศยาน เทคโนโลยีนี้สามารถขึ้นรูปโครงสร้างภายในที่ซับซ้อนได้อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้มีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากเกี่ยวกับความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบและการควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการ และสารเติมแต่งอินทรีย์บางชนิดมีราคาแพง ซึ่งจำกัดการใช้งานในวงกว้างในระดับหนึ่ง แต่ด้วยการปรับปรุงและพัฒนาเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีการขึ้นรูปด้วยการฉีดเจลมีศักยภาพในการใช้งานอย่างมหาศาลในอุตสาหกรรมการผลิตระดับสูง แผนภาพแสดงขั้นตอนการทำงานของเทคโนโลยีการขึ้นรูปชิ้นงานให้ได้ขนาดตามต้องการแสดงไว้ในรูปที่ 6


ดังแสดงในตารางที่ 3 ข้างต้น ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตโดยใช้เทคโนโลยีการขึ้นรูปตามขนาดสุทธิ (net-size molding) มีความแข็งแรงสูง ความสม่ำเสมอดี และโครงสร้างภายในหนาแน่น สามารถทนต่อแรงภายนอกได้ในระดับหนึ่ง เทคโนโลยีนี้มีประสิทธิภาพสูง วงจรการขึ้นรูปค่อนข้างยาว และต้นทุนการผลิตสูง ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อนในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศหรืออิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งต้องการความแม่นยำของรูปทรงและสมรรถนะเชิงกลสูงมาก

4. บทสรุป

หมวกกันกระสุนเป็นอุปกรณ์ป้องกันตัวสำหรับทหารแต่ละนาย ซึ่งสามารถปกป้องทหารได้อย่างมีประสิทธิภาพและลดหรือป้องกันการบาดเจ็บจากกระสุนปืนได้ ดังนั้น การทำความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับระบบวัสดุคอมโพสิตเสริมใยไฟเบอร์ โครงสร้างของผ้า และเทคโนโลยีการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตของหมวกกันกระสุนจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการวิจัยหมวกกันกระสุนชนิดใหม่ บทความนี้เริ่มต้นด้วยการแนะนำวัสดุคอมโพสิต ซึ่งมีความแข็งแกร่ง ความทนทาน และอัตราการดูดซับพลังงานสูงมาก ให้การป้องกันกระสุนที่เหนือกว่าวัสดุทั่วไป ประการที่สอง บทความนี้จะกล่าวถึงโครงสร้างผ้ากันกระสุน ซึ่งให้ประสิทธิภาพการป้องกันและการดูดซับพลังงานที่ดียิ่งขึ้น เนื่องจากกระบวนการผลิตเปลือกหมวกมีบทบาทสำคัญต่อประสิทธิภาพการป้องกัน จึงได้สรุปเทคโนโลยีการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิต 4 แบบสำหรับหมวกกันกระสุนไว้ดังนี้:

1) การขึ้นรูปด้วยมือทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติทางกลไม่สม่ำเสมอ ประสิทธิภาพต่ำ และต้นทุนต่ำ เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนน้อยหรือการผลิตตามสั่ง

2) การขึ้นรูปด้วยการถ่ายโอนเรซิน (RTM) ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม ประสิทธิภาพสูง และต้นทุนการลงทุนปานกลาง รองรับทั้งการผลิตจำนวนมากและความต้องการปรับแต่งตามความต้องการเฉพาะ

3) การขึ้นรูปด้วยความร้อนทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดี แต่มีต้นทุนการผลิตสูงกว่า เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมากแบบมาตรฐาน

4) การขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ขนาดสุทธิ (Net-size molding) ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีความแข็งแรงของชิ้นงานตั้งต้นสูงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่มีต้นทุนการผลิตสูงกว่า เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อนซึ่งมีความต้องการความแม่นยำของรูปทรงและคุณสมบัติทางกลสูงมาก

แม้ว่ากระบวนการขึ้นรูปหมวกกันกระสุนที่ทำจากวัสดุคอมโพสิตจะค่อนข้างสมบูรณ์แล้ว แต่ก็ยังมีปัญหาอีกหลายอย่างที่ต้องแก้ไข ในสภาพแวดล้อมระหว่างประเทศที่ซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ และการพัฒนาของเทคโนโลยีสารสนเทศ การออกแบบหมวกกันกระสุนรุ่นต่อไปจะมุ่งเน้นไปที่ความเบา ความสามารถในการใช้งานหลากหลาย และความอัจฉริยะ รวมถึงต้นทุนต่ำ พร้อมด้วยความสามารถในการผลิตที่ยั่งยืน เพื่อตอบสนองความต้องการของสงครามในอนาคตในด้านการป้องกัน ความอัจฉริยะ ความสะดวกสบาย และความสามารถในการปรับตัว การผลิตและการปรับแต่งที่รวดเร็ว และเพิ่มประสิทธิภาพการรบของทหารในสนามรบได้อย่างมีนัยสำคัญ