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문제 정의
- 즉, 이 유체는 전단응력이 증가했을 때 특정 조건을 넘어서면 유체의 점도가 급격하게 증가하여 고체와 같은 거동을 하게 된다[5, 6]. 그러므로 STF를 섬유 직물에 침투시켜 이 현상을 이용하면 방탄재에 침입하는 탄환이나 칼 등과 같은 물체의 침입을 억제시킬 수 있어 방탄성능을극대화시키고자하는 것이 이 연구의 목표이다. STF를 이용한 LBA연구는 미국을 중심으로 진행되고 있고 일부 기초적인 연구 결과가 발표되고 있으나, 아직 전단농화 현상의 발현이나 정확한 메커니즘 규명이 부족하며, 기동성과 유연성을 보다 크게 증대하기 위해서 직물과의 적합성, STF의 sealing 특성, 함침 및 제조공정, 최적의 조성선정 등에 대한 연구들이 필요한 실정이다.
제안 방법
- 사용된 cone and plate (D:40mm, ang〔e:2°)는 steady state flow mode 상태에서 25 ℃ 온도로 유지하였다. Loading 효과를 제거하기 위해서 pre shear(l s-1)를 가하였으며 유변물성 측정은 조건당 각각 4회씩 실험을 수행하였다.
- 평가하였다. 그리고 액체방탄재료의 방탄특성 변화에 따른 직물의 변형거동을 아울러 조사하였다.
- 본 연구에서는 나노크기의 silica입자와 에틸렌글리콜이 혼합된 STF의 특성을 조사하고 이를 Kevlar 재료에 함침시켜 STF-Kevlar 복합재료를 제조하였으며 제조된 STF-Kevlar 복합재료의 방탄특성을 에너지흡수율(EDP:Energy Dissipation Percent) 로 평가하였다. 그리고 액체방탄재료의 방탄특성 변화에 따른 직물의 변형거동을 아울러 조사하였다.
- Kevlar 시험편을 준비하였다. 순수 Kevlar 시험편은 시험편 조건당 2, 4, 8, 14 층의 직물을 적층하여 적층수에 따른 효과를 조사하고자 하였다. 한편 STF는 silica분말을 에틸렌글리콜에 혼합하여 제조하였으며 사용된 silica는 구형silica와 fumed silica분말이었다.
- 탄속은 250m/sec를 기준속도로 시험하였다. 시험방법은 파편탄의 유 점토 침투깊이로부터 잔류속도를 구하고 측정된 초기속도와 잔류속도의 자료를 이용하여 에너지 흡수율을 구하였다[1, 7, 8]. 방탄재료의 흡수에너지 (Ed:Dissipated Energy)는 Ed=l/2 .
- 그리고 silica입자와 굴절율이비슷한 에틸렌글리콜(이하 EG)에 분산시켜서 제조하였다. 전단농화 거동을 보인 fumed silica 21.5% STF와 구형 silica 65% STF를 Kevlar에 함침시키고 그 후 진공오븐에서 80℃에서 20 분간 유지하여 메탄올을 완전히 제거하여 STF-Kevlar 복합재료를 제조하였다. STF-Kevlar 복합재료의 모든 시험편은 시험 편당 4층의 직물을 적층하여 제작하였다.
대상 데이터
- 5% STF와 구형 silica 65% STF를 Kevlar에 함침시키고 그 후 진공오븐에서 80℃에서 20 분간 유지하여 메탄올을 완전히 제거하여 STF-Kevlar 복합재료를 제조하였다. STF-Kevlar 복합재료의 모든 시험편은 시험 편당 4층의 직물을 적층하여 제작하였다.
- 포구 전방에서 표적까지의 거리는 4m이며 탄의 속도를 측정하기 위하여 laser 센서가 1 m 간격으로 3곳 설치되어 있다. 그리고 시험편의 크기는 75x75mm이며 외부에 노출되는 표적면적이 50x50mtn가 되도록 알루미늄 치구를 Fig. 3과 같이 설계 제작하였다. 표적용으로 사용된 clay(Fig.
- 방탄시험에 사용된 화기는 Cal. 22 구경의 총포이며 탄은 NATO의 규격탄인 파편모의탄(FSP: Fragment Simulated Projectile)을 사용하였다. 이 탄의 중량은 1.
- 본 실험에서는 STF가 함침된 Kevlar 재료와 비교를 위하여 순수 Kevlar 시험편을 준비하였다. 순수 Kevlar 시험편은 시험편 조건당 2, 4, 8, 14 층의 직물을 적층하여 적층수에 따른 효과를 조사하고자 하였다.
- Inc.사의 AR 2000 레오미터를 사용하였다. 사용된 cone and plate (D:40mm, ang〔e:2°)는 steady state flow mode 상태에서 25 ℃ 온도로 유지하였다.
- 4와 같이 조립하고 고정한 상태에서 시험을 수행하였다. 시험편은 시험조건당 5개의 시험편을 각각 제작하여 시험하였으며 그 평균값을 취하였다. 탄속은 250m/sec를 기준속도로 시험하였다.
- 3과 같이 설계 제작하였다. 표적용으로 사용된 clay(Fig. 3)는 유점토로서 크기는 60x70x120(mm) 이다. 유점토의 품질을 검증하기 위하여 사전에 경도시험을 수행하였으며 제품 간 경도는 차이가 없었다.
- 1과 같다. 한편 모든 시험편에 사용된 직물은 Kevlar로서 600 denier의 KM-2였으며 규격은 Table i과 같다. 그리고 구형 silica STF-Kevlar 시험편에서 STF의 함량은 순수 Kevlar 시험편 의 무게대비 45%였고 STF내의 silica 함량은 무게비로 65%였다.
성능/효과
- 제시될 수 있음을 확인하였다. 구형 silica와 fumed silica 나노입자가 함유된 STF를 제조하고 시험한 결과 전단농화 현상이 발현됨을 확인하였다. 특히 ftimed silica-STF에서는입자의 크기에 따른 전단농화 거동의 차이도 확인되었다.
- 본 연구를 통하여 제시된 평가방안으로 시험평가를 수행한 결과 재현성이 확보된 결과를 획득할 수 있어 신뢰성 있는 평가방안으로 제시될 수 있음을 확인하였다. 구형 silica와 fumed silica 나노입자가 함유된 STF를 제조하고 시험한 결과 전단농화 현상이 발현됨을 확인하였다.
- 1 로 Kevlar의 적층 수에 비례하여 각각 증가하였다. 시험 후 시험편에서는 2층의 경우 섬유의 pull-out 현상이 심하게 발생되었으며 이와 함께 섬유의 파단도 동시에 관찰되었다. 그러나 4층 이상 8층의 순수 Kevlar 시험편에서는 Fig.
- DP)은 순수 Kevlar 14층의 시험편의 에너지흡수율 값에 근접하여 방탄특성이 매우 향상되었다. 이는 STF-Kevlar 복합재료를 이용하면 기존의 순수 Kevlar 방탄재료에 비하여 방탄성능의 향상과 함께 상당한 무게 감량 효과를 기대할 수 있음을 보여준다. 그러나 STF를 이용한 방탄재료의 자세한 방탄기구나 직물의 변형기구 및 제조 등에 관해서는 차후에도 계속 연구가 진행되고 규명되어야할분야이다.
- 특히 ftimed silica-STF에서는입자의 크기에 따른 전단농화 거동의 차이도 확인되었다. 제조된 STF를 Kevlar 직물에 함침시킨 STF-Kevlar 복합재료의 방탄 특성을 평가한 결과 구형 silica 입자가 함유된 STF-Kevlar 복합재료의 시험편이 fumed silica 입자가 함유된 시험편에 비하여 우수한 방탄특성을 보였다. 특히 구형 silica STF-4층 Kevlar 복합재료의 에너지흡수율(E.
- 제조된 STF를 Kevlar 직물에 함침시킨 STF-Kevlar 복합재료의 방탄 특성을 평가한 결과 구형 silica 입자가 함유된 STF-Kevlar 복합재료의 시험편이 fumed silica 입자가 함유된 시험편에 비하여 우수한 방탄특성을 보였다. 특히 구형 silica STF-4층 Kevlar 복합재료의 에너지흡수율(E.DP)은 순수 Kevlar 14층의 시험편의 에너지흡수율 값에 근접하여 방탄특성이 매우 향상되었다. 이는 STF-Kevlar 복합재료를 이용하면 기존의 순수 Kevlar 방탄재료에 비하여 방탄성능의 향상과 함께 상당한 무게 감량 효과를 기대할 수 있음을 보여준다.
- 특히 silica는 직물간과 직물과 탄자간의 마찰력을 증가시키고 이 마찰력은 silica의 함량에 비례하기 때문에 구형 silica 시험편의 경우 silica의 함량이 fumed silica를 함침시킨 시험편에 비하여 상대적으로 높아 방탄성능이 더 나은 것으로 판단된다. 특히 구형 silica STF를 4층의 Kevlar에 함침시킨 시험편의 에너지흡수율은 순수 Kevlar를 14층을 적층한 시험편의 에너지흡수율 값인 95.08에 근접하는 값으로서 STF를 함침시킨 시험편의 방호능력이 크게 향상되었음을 보여준다. 그리고 시험편의 무게를 기준으로도 Fig.
후속연구
- 이는 STF-Kevlar 복합재료를 이용하면 기존의 순수 Kevlar 방탄재료에 비하여 방탄성능의 향상과 함께 상당한 무게 감량 효과를 기대할 수 있음을 보여준다. 그러나 STF를 이용한 방탄재료의 자세한 방탄기구나 직물의 변형기구 및 제조 등에 관해서는 차후에도 계속 연구가 진행되고 규명되어야할분야이다.
- STF 를 개인 방호복에 응용하기 위한 연구는 미 육군연구소(ARL)와 Delaware 대학의 연구팀들이 중심이 되어 수행되고 있으며 현재 방탄과 방검특성 등에 대한 연구결과가 계속해서 발표[1-4] 되고 있다. 이 기술의 응용분야로서는 body armor, vehicle armor, helmets, gloves 및 bomb blankes 등 군인들의 생명을 보호하는 목적뿐만 아니라 경찰과 민간 경비체계에도 사용될 수 있다. 기존의 방탄재료는 유리섬유 또는 고강력 아라미드섬유를 직조하여 제조하기 때문에 방호능력을 높이기 위해서는 섬유 층을 겹겹이 적층하거나 방호소재의 재질에 변화를 주어 방탄복의 성능을 향상시키고 있으며 특히 방탄성능을 증대시키기 위해서는 많은 수의 방호소재를 적층하는 것이 필수적인 것으로 인식되고 있다.
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