Ballistic performance and impact behavior of alumina armor ceramic
Alümina zırh seramiklerinin balistik performansı ve çarpışma davranışı
- Tez No: 75051
- Danışmanlar: PROF. DR. M. ZEKİ ERİM
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1998
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 120
Özet
Eski insanlar çevresel etkenlerden korunmak amacıyla deri, kürk gibi giysiler kullanmaktaydı. Düşmanlarından gelebilecek yaralanmalara karşı da bu giysilerin koruyucu avantajından faydalanmak gayet mantıklıydı. İlk başlarda av hayvanlarının derisinin işlenmesiyle elde edilen bu çift amaçlı giysiler, zaman içinde, giderek gelişen saldın silahlarına paralel olarak gelişmiş, yapımında kullanılan malzemeler bir hayli çeşitlilik göstermiş, ve artık günümüzde“balistik koruyucu yelek”adı verilen özel amaçlı giysiler haline gelmiştir. Elbette ki zırh malzemelerinin kullanım alanı insan vücuduyla sınırlı kalmamış; gerek sivil gerekse askeri amaçlı bir çok kara, hava, deniz ve hatta uzay aracında kullanım alanı bulmuştur. Günümüzde gerek sivil gerekse askeri platformda en yoğun tehdidi modern ateşli silahlardan çıkan kinetik enerji mermileri oluşturmaktadır. Bu mermiler geometrik, mekanik ve kinematik özellikleri açısından oldukça çeşitlilik arz etmektedir. Belirli bir hedefe yönelik dizayn edilen (örneğin tanklara karşı) ve çalışma prensibi kinetik enerji mermilerinden bir hayli farklı olabilen {shaped charge veya explosively forged projectile gibi) özel tipte mermilerden de bahsedilmelidir. Merminin hedefe çarpmasıyla başlayan penetrasyon sürecinin fiziksel karakteri; mermi ve hedefe ait özellikler kombinasyonuna bağlı olarak çeşitlilik arz eder. Deneylerle tesbit edilen bu fiziksel karakter ve ölçülebilen bazı büyüklükler; elbette ki penetrasyon sürecinin matematiksel modelinin oluşturulmasında, ve bu modelde mermiye ve hedefe ait hangi özelliklerin ağırlıklı olarak yer tutması gerektiğine dair bir baz teşkil edecektir. Gerek oksit gerekse non-oksit seramikler metallere göre çok daha gevrek olmalarına rağmen, yüksek basma mukavemeti ve sertliklerinin sağladığı avantajlardan dolayı zırh uygulamalarında üzerinde önemle durulan malzemeler haline gelmiştir. Zırh amaçlı seramiklerin kullanım alam ise balistik koruyucu yeleklerden tanklara kadar geniş bir yelpazededir. Bu çalışmada, KALEPORSELEN A.Ş. (İstanbul) tesislerinde özel olarak bu çalışma için üretilen ve zırh amaçlı kullanıma uygun alümina seramiklerin balistik performansları ve yüksek hızlı çarpışma davranışları incelenmiştir. Tehdit unsuru olarak 7.62x51 mm zırh delici G3 mermilerinin kullanıldığı çalışmada, hedef olarak iki farklı kompozisyonda (%96 ve %99.8 saflıkta) ve altı değişik kalınlıkta (4.1 ile 14.7 mm arasında) alümina seramik kullanılmıştır. Mermi hızı bir parametre olarak 420 ile 810 m/s arasındadeğiştirilmiş, çarpışma hızının seramiğin balistik performansına ve kırılma davranışına etkileri incelenmiştir. Balistik testlerde kullanılan hedef panelleri seramik plakaların kalın alüminyum bloklara (6061 -TO) yapıştırılması suretiyle hazırlanmıştır. Kalın destek tekniği (thick backing technique) olarak anılan bu hedef konfigürasyonu, önce çıplak alüminyum bloklara daha sonra da önüne seramik plaka yapıştırılmış bloklara atışlar yapılarak her iki durumdaki penetrasyon derinliklerinin karşılaştırılması temeline dayanmaktadır. Bu yöntem, destek (backup) rijidliğinden etkilenmeksizin sadece seramiklerin balistik performans değerlendirmesinde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu çalışmada, kalın destek tekniğine ek olarak zayıf destek tekniği (weak backing technique) adı verilen yeni bir yöntem de, destek rijidliğinin seramik plakanın balistik performansına etkisini ölçmek amacıyla kullanılmıştır. Değişik kalınlıktaki seramiklere değişik hızlarda yapılan atışlar, çarpışma sürecindeki ardışık hasar mekanizmalarının anlaşılmasını belli bir dereceye kadar mümkün kılmıştır. Buna göre; seramiğin yapısal entegrasyonunun bozulması radyal, konik ve yanal çatlaklar vasıtasıyla gerçekleşmektedir. Merminin seramikle etkileşimi ise en içteki konik çatlağ ın sınırladığı ve“konoid seramik bölgesi”adı verilen kütle üzerinden olmaktadır. Konoid seramik bölgesinin iki temel fonksiyonu; (1) mermi ucunu erozyona uğratarak ve deforme ederek kütleştirmek, (2) dinamik çarpışma yükünü tabana doğru yayarak, merminin kinetik enerjisini absorbe edecek destek malzemesine genişletilmiş bir alan üzerinden aktarmaktır. Mermiden çok daha sert olan seramik, çarpışma sırasında mermi ucunu deforme etmekte ve hatta kırılmasına sebep olmaktadır. Bunun sonucunda merminin delme kabiliyeti azalmakta ve dolayısıyla destek malzemesine daha az penetrasyon yapmaktadır. Bu olay, yani mermi ucu geometrisinin kütleştirilmesi, seramiğin balistik performansını artıran etkenlerden birisidir. İkincisi, yani dinamik yükün destek malzemesine konoid bir bölge üzerinden yayılarak iletilmesi; hem destek malzemesinin kopma sınırını tolere ederek mermi kinetik enerjisinin daha kolay absorbe edilmesini, hem de destek malzemesinde daha geniş bir bölgenin enerji absorbsiyonuna katılmasını sağlayarak seramiğin balistik performansını artırmaktadır. Belli bir tehdite karşı kullanılacak seramik zırhlarda, birden çok aday seramik arasından seçim yaparken bir performans sıralaması yapmak son derece önemlidir. Bunu kantitatif olarak yapmanın yollarından biri de; aday seramiklerin“kaim destek konfigürasyonunda”balistik testlerini yapmak ve balistik etkinliklerim hesaplamaktır. Bu yolla hesaplanan balistik etkinlik değeri; zırh sistemine birim ağırlıkta seramik ilave edilmesiyle, destek (backup) malzemesinden ağırlıkça elde edilen tasarrufun bir göstergesi olmaktadır. Bir başka deyişle balistik etkinlik, seramiğin belli tipte bir mermiye karşı normalize edilmiş performansının sayısal ifadesidir. Nitekim literatürde bu yöntemin, değişik tipte seramiklerin farklı tehdit unsurlarına karşı balistik performanslarının değerlendirilmesinde sıkça kullanıldığı görülmektedir. Ancak, mevcut çalışmadan elde edilen sonuçlar aynı tipte seramikler için dahi, balistik etkinliğin seramik plaka kalınlığıyla ve mermi hızıyla değişebileceğini, bu nedenle bu tip performans değerlendirmeleri yaparken son derece dikkatli olunması gerektiğini ortaya çıkarmıştır. Örneğin kalınlıkları 4 ile 14 mmarasında değişen alumina seramiklerde, kalınlık azaldıkça seramiğin balistik etkinliğinin arttığı gözlemlenmiştir. Benzer şekilde, aynı tipte ve kalınlıktaki seramiklerde, mermi hızı arttıkça seramiğin hesaplanan balistik etkinliği daha yüksek çıkmıştır. Netice olarak ortaya çıkan;“kalın destek tekniği”ile bulunan balistik etkinliğin, seramik plaka kalınlığı ve mermi hızı gibi iki parametre tarafından direkt olarak etkilendiğidir. Bu neticenin gerektirdiği ise; farklı kompozisyonlardaki seramiklerin balistik performanslarını kıyaslamak amacıyla yapılan balistik testlerin aynı kalınlıkta seramikler üzerinde ve sabit mermi hızında yapılmasıdır. Bilimsel literatürde bu konuyla ilgili yapılan çalışmalarda maalesef bu hassasiyet görülmemektedir. Zira, farklı mermi tiplerinin ve mermi ucu geometrisinin etkileri araştırılmış, ancak mermi hızı ve seramik plaka kalınlığı gibi parametrelerin balistik etkinliğe etkisi araştırılmamıştır. Bu tez bu yöndeki boşluğu giderici yönde katkıda bulunmuştur. Seramiğin balistik performansına etki eden faktörlerden birisi de kullanılan destek malzemesinin rijidliğidir. Teorik olarak, destek rijidliği azaldıkça seramik plakanın eğilme modunda daha fazla deformasyona maruz kalacağı, bunun ise seramik plakanın arka yüzünde çekme gerilmeleri yaratarak balistik performansı olumsuz etkileyeceği beklenen bir şeydir. Zira, seramiklerin çekme mukavemetlerinin basmaya kıyasla oldukça düşük olduğu bilindiğinden, böyle bir durumun oluşması seramiğin beklenenden önce ve/veya fazla hasar görmesine sebep olarak kendisinden beklenen balistik performansı gösterememesiyle sonuçlanır. Teorik olarak beklenen bu etkinin deneysel olarak tesbiti için“zayıf destek tekniği”adı verilen bir hedef konfigürasyonu tasarlanarak, sabit kalınlıktaki seramikler sabit bir mermi hızında fakat değişken destek kalınlıklarıyla test edilmiş ve balistik etkinlikleri hesaplanmıştır. Testler neticesinde, 4 ile 8 mm kalınlık aralığındaki seramikler için balistik etkinlik kantitatif olarak hesaplanabilmiştir. Daha kalın seramiklerde, kısmen penetrasyon oluşmadığından kısmen de hedefler uygun noktadan vurulamadığından kantitatif veri elde edilememiştir. Sonuçlar, destek rijidliği azaldıkça seramiklerin balistik etkinliklerinin de sistematik olarak azaldığını göstermiştir. Uzun namlulu silahlardan atılan zırh delici mermilere karşı (zırh delici G3, Kalaşnikov veya M 16 mermileri gibi) geliştirilen zırh sistemleri; genellikle bir seramik ön plakadan ve arkasında da bir destek malzemesinden oluşmaktadır. Kullanım yerine göre, maliyet fiyatı ve ağırlık gibi faktörler önem kazanabilmekte ve buna göre de destek kademesi, Kevlar'dan alüminyuma kadar çeşitlilik gösteren malzemeler arasından seçilebilmektedir. İyi bir destek malzemesinden beklenen görev; seramiği geçen merminin artık kinetik enerjisini absorbe edecek nitelikte olmasıdır. Bir merminin destek malzemesi içinde gerçekleştireceği penetrasyon derinliği genellikle mermi ucu geometrisine çok hassastır. Deforme olmayan sivri uçlu mermiler, destek malzemeleri içerisinde oldukça büyük penetrasyon derinlikleri oluşturmaktadır. Seramik ön plakanın en önemli görevlerinden birisi de zırh delici merminin ucunu köreltmek ve destek malzemesi için mermiyi verimsiz bir deliciye dönüştürmektir. Seramiğin bir diğer görevi de; konoid seramik bölgesi üzerinden yükü yayarak destek malzemesine iletmektir. İşte bu iki önemli görevi en iyi şekilde yerine getirebilmesi için, seramik ön plakanın destek malzemesi tarafından iyicedesteklenmesi ve deformasyonuna mümkün mertebe izin verilmemesi çok önemlidir. O halde destek malzemesinde aranması gereken özelliklerden birisi de yüksek rijidlik olmalıdır. Çünkü, ancak bu şekilde seramiğin balistik performansından azami şekilde istifade edilebilecektir. Mevcut çalışmada“zayıf destek tekniği”ile yapılan balistik testler bunu işaret etmektedir. Atılan merminin seramiğe temas etmesiyle başlayan balistik çarpışma sürecinin bir başka ilgi çekici yanı da fragmantasyondur. Çarpışma esnasında, merminin hedefle temas ettiği bölgenin etrafındaki belli bir seramik kütlesi küçük parçalara ayrılarak, mermiye ters yönde büyük bir hızla dışarı doğru atılır. Yani, merminin seramiği penetrasyonu sırasında gerçekleşen momentum transferi, mermi kinetik enerjisinin bir kısmının bu parçacıklar üzerinde yeniden dağıtılmasıyla sonuçlanır. Bu yolla absorbe edilen kinetik enerji için henüz matematiksel bir model ortaya konmamış olmasına rağmen, gerek mevcut çalışmada gerekse daha önceki çalışmalarda yapılan deneysel gözlemler; fragmente olan seramik parçacıkların kaydadeğer miktarda enerji absorbe ettiğini göstermektedir. Bu yüzden zırh seramiklerinin fragmantasyon davranışı, gelecekte ortaya konacak matematiksel modeller açısından önem taşımaktadır. Mevcut çalışmada kullanılan alümina seramiklerin fragmantasyon davranışını karakterize etmek için özel bir deney düzeneği hazırlanmış ve bu yolla seramik plakadan kopan parçacıklar büyük bir hassasiyetle toplanmıştır. Daha sonra, toplanan parçacıklar elek analiziyle küçükten büyüğe doğru 6 farklı boyut grubuna ayrılmıştır. Seramik parçacıkların araşma mermiye ait metalik parçacıklar da karıştığından, her bir grup; kısmen gözle muayene edilerek, kısmen mıknatıs yardımıyla ve kısmen de asit çözeltilerinde bekletilerek içlerindeki metalik parçacıklardan arındırılmıştır. Bu hayli zaman alıcı çalışma sonrasında, seramik plakadan kopan kütlenin parçacık boyut dağılımları elde edilebilmiştir. Sonuçlara göre; fragmantasyon miktarı hem mermi hızının hem de kullanılan seramik plaka kalınlığının birer fonksiyonudur. Fragmantasyon miktarı, hem kütlesel olarak hem de yaratılan toplam yüzey alanı olarak, çarpışma hızı arttıkça artmaktadır. Bir başka deyişle, merminin kinetik enerjisi arttıkça momentum transferi daha geniş bir seramik hacmi üzerinden gerçekleşmektedir. Fragmantasyon miktarının çarpışma hızıyla monotonik bir ilişkisi olmasına rağmen, seramik plaka kalınlığıyla ilişkisi daha kompleks görünmektedir. Farklı seramik kalınlıkları ve farklı mermi hızlan için elde edilen fragmantasyon verileri birleştirilerek incelendiğinde ortaya çıkan manzara ilginçtir. Öyle görünmektedir ki; mermi hızı sabit tutulduğunda, seramik kalınlığıyla önce artan fragmantasyon miktarı, giderek artan seramik kalınlıklarında artış hızını kaybetmekte ve hatta azalmaya başlamaktadır. İlk başlarda kalınlıkla artan fragmantasyon miktarının, direkt olarak seramik plaka kalınlığıyla ilişkili olduğu düşünülmektedir. Zira, düşük kalınlıklarda seramik plaka tamamen delinmekte olduğundan, artan kalınlık giderek artan bir seramik hacminin delinmesi anlamını taşımaktadır ki bu da kaçınılmaz olarak daha fazla fragmantasyon demektir. Tamamen delinmeyecek kadar kalın seramiklerde, plaka kalınlığındaki artış giderek azalan fragmantasyon miktarlarıyla sonuçlanmaktadır. Bu davranış şekli iseseramiğin delinmeyen kısmının aksi takdirde fragmente olacak kısma verdiği destekle ilişkilendirilmektedir. Çok kalın seramiklerde, seramik tamamen delinmediğinden entegrasyonu bozulmamakta, bu yüzden de bir çatlak ağ yapısı oluşmasına rağmen çoğu parçacık momentum transferine katılamamaktadır. Entegrasyon desteği olarak anılan bu davranış şekli de, doğal olarak fragmantasyonu azaltıcı bir etki yapmaktadır. Bu iki uç davranış arasında, yani düşük kalınlıklardaki penetrasyon etkisinin belirleyici olduğu bölge ile büyük kalınlıklardaki entegrasyon etkisinin belirleyici olduğu bölge arasında ise, iki çatışan mekanizmanın dengelendiği bir geçiş bölgesi mevcuttur. Fragmantasyon verileri istatiksel açıdan da değerlendirilmiş, boyuta göre kümülatif kütle dağılımlarına bakıldığında, dağılımların istatiksel olarak homojen olmaktan çok uzak olduğu tesbit edilmiştir. Aslında bu, beklenen bir sonuçtur. Zira, çarpışma esnasındaki gerilme ve deformasyon hızlarının bölgesel dağılımı da homojen olmaktan çok uzaktır. Daha önce yapılan çalışmalar; deformasyon hızıyla fragmente olan parçacık boyutu arasında ters orantılı bir ilişkinin varlığını göstermiştir. O halde her küçük boyut aralığındaki parçacıkların, yaklaşık olarak aynı deformasyon hızına maruz kaldığı varsayımı kabul edilebilirlik sınırları içindedir. Bu varsayımdan yola çıkarsak, yani her bir boyut aralığındaki parçacıkların istatiksel olarak homojen dağılmış olduğunu varsayarsak, bütün olarak heterojen olan fragmantasyon aslında istatiksel olarak homojen dağılımların birleşmesiyle oluşmuş olmalıdır. Eğer durum buysa, kümülatif fragmantasyon datası Poisson karışım metoduyla teorik olarak temsil edilebilmelidir. Bu mantığın doğruluğu kontrol edilmiş ve istatiksel olarak heterojen olan fragmantasyon datasının, Poisson karışım metoduyla oldukça hassas bir şekilde temsil edilebileceği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Terminal ballistic tests with armor piercing 7.62 mm projectiles were performed on high quality 96% and 99.8% alumina ceramic tiles backed with semi-infinite aluminum blocks, i.e. thick backing configuration. Failure mechanisms, ballistic efficiencies and fragmentation behavior of ceramics were investigated under impact loading conditions. The two main parameters were the projectile velocity and the thickness of ceramic tiles. The effect of backup stiffness on the ballistic efficiency of ceramics was also sought. Upon impact; radial, cone and lateral cracks form and disintegrate the ceramic tile. A ceramic conoid zone within the innermost cone crack interacts with the projectile. The two major roles of this zone seem to be the destruction of the projectile tip converting the residual projectile into one of low efficiency and the transmission of the impact load to the backup over a wider area. In armor applications against a certain type of threat, i.e. for a certain projectile type, it is important to make merit ratings between the candidate ceramics. One method for doing this is to test the ceramics in thick backing configuration and calculate a“ballistic efficiency”, which requires the use of penetration depths into backing material both with and without the ceramic front tile. In the present study, ballistic efficiencies which quantify the normalized performance of ceramic against the impacting projectile, have been found to be a function of the projectile velocity and the ceramic tile thickness. High values of ballistic efficiencies were achieved for thinner ceramic tiles and for higher impact velocities. These effects of projectile velocity and ceramic tile thickness on the ballistic efficiency are thought to be extremely important when making merit ratings between armor ceramics tested at various velocities or thicknesses. Some of the tests were conducted using the weak-backing configuration, which is a new experimental technique to evaluate the effect of backup stiffness on the ballistic efficiencies of ceramic tiles. Both quantitative and qualitative results show that the backup stiffness is an important factor affecting on the ballistic efficiency. Ballistic efficiency of ceramics seems to be closely related to the degree of support given by the backup to the ceramic tile. Thinner backups, which mean less rigidity, result in a decrease in the ballistic efficiency of ceramics. Another aspect of the ballistic impact is that a part of the ceramic mass around the impact site is fragmented and ejected in a direction opposite to projectile movement. The analysis of ceramic fragmentation is important because a certain part of projectile kinetic energy is redistributed over the ejected fragments. Experimental fragmentation data show that the cumulative distribution of fragments is far from being statistically homogeneous, an expected result due to inhomogeneous distribution of impact load over the ceramic tile. However, by assuming that the inner distribution of fragments within the small size intervals is homogeneous, which is logical from an energetic point of view, and by using the method of Poisson's Mixtures, it has been shown that heterogeneous experimental data can be well represented by statistical methods.
Benzer Tezler
- Seramik takviyeli alüminyum metal matrisli kompozitin balistik performansının incelenmesi
An Investigation of the ballistic performance of a particle reinforced aluminum based metal matrix composite
ALPER TAŞDEMİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2000
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. BAKİ KARAMIŞ
- Alümina seramik ön yüzlü polietilen destekli zırh malzemesinin balistik davranışının deneysel ve sayısal analizi
Experimental and numerical analysis of ballistic behaviour of alumina ceramic faced and polyethylene reinforced armour material
MEHMET AKİF AKDOĞAN
Doktora
Türkçe
2018
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OSMAN SELİM TÜRKBAŞ
- Çok işlevli alümina-zirkonya kompozit malzemelerinin üretimi, mekanik ve balistik özelliklerinin incelenmesi
Production of multifunctional alumina-zirconia composite materials, investigation of their mechanical and ballistic properties
BURCU BÜYÜKDOĞAN ÇAVDAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖZDE FATMA ÇELEBİ EFE
- Kompozit zırh tasarımının balistik performansa etkisinin deneysel olarak modellenmesi
Experimental modeling of the effect of composite armor design on ballistic performance
MUHAMMED BAHRİ BARUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiMilli Savunma ÜniversitesiKBRN-P Savunma Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AYHAN AYTAÇ
- Partikül ve fiber takviyeli alüminyum matrisli kompozitin balistik performansının incelenmesi
Investigation of ballistic performance of particulate and fiber reinforced aluminium matrix composites
AFŞIN ALPER CERİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. BAKİ KARAMIŞ