เส้นใยอะรามิดมีคุณลักษณะของความแข็งแรงจำเพาะสูงและการยืดตัวสูงเมื่อขาด และสามารถทดแทนวัสดุคอมโพสิตไฟเบอร์กลาส/เรซินได้อย่างสมบูรณ์ในหลาย ๆ สาขา
ปัจจุบัน ประเทศต่างๆ ทั่วโลกกำลังพัฒนาและปรับปรุงวัสดุกันกระสุนชนิดใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันกระสุนของยานพาหนะและทหาร วัสดุคอมโพสิตเส้นใยประสิทธิภาพสูงมีคุณสมบัติคือน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง และต้านทานกระสุนได้อย่างยอดเยี่ยม ถือเป็นวัสดุกันกระสุนที่ได้รับการวิจัยมากที่สุด เติบโตเร็วที่สุด และมีอนาคตที่สดใส ประเทศที่พัฒนาแล้วทางการทหารที่เป็นตัวแทนของสหรัฐอเมริกาให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับการพัฒนาเส้นใยกันกระสุนประสิทธิภาพสูงและวัสดุคอมโพสิต สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์การป้องกันประเทศ เช่น ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพบกสหรัฐฯ และมหาวิทยาลัยที่ได้รับทุนสนับสนุนจากกระทรวงกลาโหม ได้ดำเนินการวิจัยจำนวนมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา บทความนี้จะแนะนำการวิจัยและพัฒนา สถานะการใช้งาน และระดับประสิทธิภาพของเส้นใยอะรามิด เส้นใยคาร์บอน และเส้นใย PBO ในต่างประเทศเป็นหลัก
1. เส้นใยอะรามิด
เส้นใยอะรามิดมีคุณสมบัติเด่นคือมีความแข็งแรงจำเพาะสูงและการยืดตัวสูง ณ จุดขาด ภายใต้ความหนาแน่นพื้นผิวเดียวกัน ความต้านทานกระสุนของคอมโพสิตอะรามิด/เรซินจะสูงกว่าคอมโพสิตใยแก้ว/เรซิน 2-3 เท่า สามารถใช้งานได้หลากหลาย ทดแทนคอมโพสิตใยแก้ว/เรซินได้อย่างครอบคลุม
สถาบันต่างๆ เช่น ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพบกร่วม (Joint Army Research Laboratory) แห่งมหาวิทยาลัยเคลมสันในสหรัฐอเมริกา ใช้เทคนิคไฟไนต์เอลิเมนต์แบบดั้งเดิมในการวิเคราะห์เชิงตัวเลขของแผ่นใยป้องกันขีปนาวุธ เพื่อหาค่าความต้านทานการเจาะทะลุของวัสดุ รวมถึงการโก่งตัว การเสียรูป และการตอบสนองต่อแรงกระแทกโดยรวม ทีมนักวิจัยได้ปรับปรุงและพัฒนาแบบจำลองการคำนวณและวิเคราะห์การป้องกันการระเบิด/แรงกระแทกของวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์พอลิเมอร์เสริมแรงด้วยเส้นใยทอแบบแบนให้ดียิ่งขึ้น ในปี พ.ศ. 2557 ได้มีการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคและสมรรถนะของวัสดุที่ใช้ PPTA (โพลี-พี-ฟีนิลีน เทเรฟทาลาไมด์) และพัฒนาวิธีการคำนวณแบบหลายระดับความยาว เพื่อหาผลกระทบของคุณสมบัติโครงสร้างจุลภาคต่างๆ บนวัสดุสักหลาดที่ใช้ PPTA ผลของวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์พอลิเมอร์เสริมแรงด้วยเส้นใยผ้าหรือ PPTA ต่อความต้านทานการเจาะทะลุของวัสดุในระดับมหภาค
สถาบัน Cassino ในอิตาลีและมหาวิทยาลัย Southern Lazio ได้นำแผ่นสักหลาดทอธรรมดามาผสมกับเรซินเทอร์โมเซตติงเพื่อทำแผ่นลามิเนต และได้ทำการทดสอบแบบจำลองเชิงตัวเลขของ Walker และทดสอบประสิทธิภาพการต้านทานกระสุนของเกราะคอมโพสิตที่เตรียมไว้ ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพบกสหรัฐฯ และคณะ ได้ใช้เส้นใยไนลอนโมโนฟิลาเมนต์โปร่งใสรูปทรงแถบแบนเป็นวัสดุเสริมแรง และเตรียมวัสดุคอมโพสิตที่มีค่าการส่องผ่านของแสงประมาณ 40% โดยใช้เรซินอีพอกซีโปร่งใสที่มีดัชนีหักเหแสงตรงกับเมทริกซ์ ผลการทดสอบการต้านทานกระสุนของวัสดุแสดงให้เห็นว่าค่า V50 ของวัสดุที่ได้มีค่ามากกว่า 305 เมตร/วินาที ซึ่งสูงกว่าค่าของเรซินอีพอกซีและโพลีคาร์บอเนตมาก
ห้องปฏิบัติการแห่งชาติซานเดียของสหรัฐอเมริกาได้ศึกษาอิทธิพลของการบิดตัวต่อสมบัติการกระแทกตามขวางของเส้นใยอีลาสติน และวัดความเร็วคลื่นเฉือนแบบออยเลอร์ที่เกิดจากการกระแทกด้วยกล้องความเร็วสูง ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าความเร็วคลื่นเฉือนแบบออยเลอร์เพิ่มขึ้นตามจำนวนการบิดตัวของเส้นใย ซึ่งบ่งชี้ถึงประสิทธิภาพการต้านทานกระสุนที่สูงขึ้น ดังนั้น การใช้เส้นใยบิดตัวในแผ่นใยต้านทานกระสุนจึงสามารถปรับปรุงสมบัติการต้านทานกระสุนของวัสดุได้ ได้มีการศึกษาผลของสนามแม่เหล็กต่อสมบัติการต้านทานกระสุนของเส้นใยอะรามิดและเส้นใยโพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงมาก นักวิจัยได้ประกบเส้นใยอะรามิดและเส้นใยโพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงมากไว้ระหว่างแม่เหล็กหายากสองชุดที่อยู่ตรงข้ามกัน เพื่อทดสอบผลของแรงผลักของสนามแม่เหล็กต่อสมบัติการต้านทานกระสุนของวัสดุ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าแรงผลักของแม่เหล็กสามารถยับยั้งกระสุนปืนไม่ให้เข้าไปในแผงด้านหน้าของเส้นใยอะรามิดได้
การดัดแปลงนาโนของเส้นใยอะรามิดหรือการเติมนาโนวัสดุผสมจะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติการกันกระสุน นักวิจัยได้เพิ่มความแข็งแรงของส่วนต่อประสานด้วยการปลูกเส้นลวดนาโน ZnO ในแนวตั้งบนพื้นผิวของเส้นใย ความแข็งแรงของส่วนต่อประสานของเส้นใยสูงกว่าเส้นใยเปล่าถึง 96.9% และค่าแรงสูงสุดของการทดสอบแบบดึงออก (Pull-out) เพิ่มขึ้น 6.5 เท่า เส้นลวดนาโน ZnO ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการดึงออกของเส้นใย ซึ่งส่งผลให้ระดับการป้องกันแรงกระแทกของวัสดุเพิ่มขึ้นด้วย
นักวิจัยได้ศึกษาผลของสารตัวเติมอนุภาคนาโนต่อวัสดุคอมโพสิตที่ทนทานต่อแรงกระแทก และได้ทำการทดสอบการกระแทก V50 บนวัสดุคอมโพสิตเส้นใยที่บรรจุด้วยเส้นใยคาร์บอนบดและอนุภาคนาโน (นาโนทิวบ์คาร์บอนและอนุภาคยางแกน-เปลือก) ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าสารตัวเติมอนุภาคยางแกน-เปลือกมีประสิทธิภาพในการดูดซับพลังงานระหว่างการกระแทกอันเนื่องมาจากปรากฏการณ์โพรงอากาศ และยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกระแทกได้อย่างมีนัยสำคัญ สารตัวเติมนาโนทิวบ์คาร์บอนสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของส่วนต่อประสานระหว่างเมทริกซ์กับเส้นใย และยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกระแทกได้อย่างมีนัยสำคัญ ทั้งสองอย่างนี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการต้านทานการกระแทก V50 ของวัสดุคอมโพสิตได้ การเพิ่มเศษส่วนมวลของเส้นใยคาร์บอนบด 1% และการเพิ่มอนุภาคนาโน 1% ลงในวัสดุคอมโพสิตสามารถเพิ่ม V50 ได้ 7.3% (นาโนทิวบ์คาร์บอน) และ 8% (อนุภาคยางแกน-เปลือก) เมื่อเทียบกับตัวอย่างอ้างอิงตามลำดับ
2. คาร์บอนไฟเบอร์
โดยทั่วไปแล้วโมดูลัสของยังของคาร์บอนไฟเบอร์จะสูงกว่าเส้นใยแก้วแบบดั้งเดิมมากกว่าสามเท่า และมีศักยภาพในการนำไปใช้งานที่สำคัญในการลดน้ำหนักของอุปกรณ์ทางทหารและเพิ่มอัตราการรอดชีวิต ในปี พ.ศ. 2558 สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียในสหรัฐอเมริกาได้พัฒนากระบวนการใหม่สำหรับการเตรียมเส้นใยคาร์บอนแบบต่อเนื่องที่ปั่นด้วยเจลโดยอาศัยเทคโนโลยีการปั่นโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) เส้นใยคาร์บอนที่เตรียมจาก PAN มีความแข็งแรงดึงเฉลี่ยอยู่ระหว่าง 5.5 ถึง 5.8 GPa โมดูลัสแรงดึงอยู่ระหว่าง 354 ถึง 375 GPa และโมดูลัสแรงดึงสูงกว่าเส้นใยคาร์บอนแบบ PAN ชนิด IM7 ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศถึง 25% ถึง 36% การผสมผสานที่คุ้มค่าที่สุด ในอนาคต การปรับปรุงวัสดุและกระบวนการต่างๆ จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงและโมดูลัสของเส้นใยคาร์บอนแบบ PAN ไปพร้อมๆ กัน
3. เส้นใย PBO
เดิมทีเส้นใย PBO ได้รับการพัฒนาโดยกองทัพอากาศสหรัฐอเมริกา และต่อมาได้ผลิตโดยบริษัทญี่ปุ่น เส้นใย PBO เป็นที่รู้จักในฐานะเส้นใยประสิทธิภาพสูงแห่งอนาคตที่สามารถทดแทนเส้นใยอะรามิดได้ เส้นใยชนิดนี้มีความหนาแน่นต่ำกว่าเส้นใยอะรามิด แต่มีคุณสมบัติเชิงกลและความทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่เหนือกว่าเส้นใยอะรามิดอื่นๆ อย่างมาก
ในปี พ.ศ. 2549 มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียได้ลงนามในสัญญากับกองทัพบกสหรัฐฯ เพื่อทำการทดสอบขีปนาวุธเพื่อประเมินประสิทธิภาพขีปนาวุธของเส้นใยไซลอน ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าเส้นใยไซลอนมีประสิทธิภาพสูงกว่าเคฟลาร์ 29 และเมื่อนำไปใช้ในเกราะจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกันและความคล่องตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ แม้ว่าเส้นใย PBO จะมีข้อดีคือน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง และโมดูลัสสูง แต่ก็มีข้อจำกัดเนื่องจากคุณสมบัติเชิงกลลดลงระหว่างการใช้งานในการป้องกัน เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิจัยได้พัฒนากระบวนการหลังการบำบัดด้วยการปล่อยสารเคมีคาร์บอนไดออกไซด์แบบเหนือวิกฤต (supercritical CO2) เพื่อบำบัดเส้นใย PBO เพื่อลดอัตราการลดลงของคุณสมบัติเชิงกลและยืดอายุการใช้งาน นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์แอมเฮิร์สต์ศึกษาการรักษาเสถียรภาพของเส้นใย PBO หลังการบำบัดด้วย CO2 เหนือวิกฤต โดยใช้ CO2 เหนือวิกฤตเป็นสารสกัดเพื่อสกัดกรดฟอสฟอริกและน้ำที่เหลืออยู่บนเส้นใย PBO และใช้เป็นตัวกลางในการนำสารต่างๆ เข้ามา สารนี้จะทำให้กรดฟอสฟอริกเป็นกลางและลดผลกระทบจากการย่อยสลายของน้ำและกรดบนเส้นใย PBO
การเกิดชั้นของเส้นใยบัลลิสติกอาจเป็นปัจจัยหนึ่งที่ทำให้ประสิทธิภาพลดลง นักวิจัยได้ศึกษาผลกระทบของการพับที่มีต่อประสิทธิภาพการลดลง ของเส้นใยบัลลิสติก PBO และได้ทดลองหาผลกระทบของกลไกการพังทลายนี้ต่อประสิทธิภาพการป้องกันเกราะ นอกจากนี้ยังศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบของการพับต่อโครงสร้างภายในของเส้นใยอีลาสติน นักวิจัยชาวญี่ปุ่นได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับเส้นใย PBO เป็นจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น พวกเขาได้ศึกษาการอบชุบด้วยความร้อนเพื่อปรับปรุงความแข็งแรงแรงดึงและความล้าของเส้นใย PBO โมดูลัสสูง และศึกษาอิทธิพลของอัตราเฉือนที่มีต่อความแข็งแรงแรงดึงของเส้นใย PBO โมดูลัสสูง
