[논문]케블라 직물과 전단농화유체로 함침된 케블라 액체 방탄재의 파단모드 연구

윤병일; 송흥섭; 백종규

doi:10.7234/kscm.2007.20.3.017

[국내논문] 케블라 직물과 전단농화유체로 함침된 케블라 액체 방탄재의 파단모드 연구
A Study on the Failure Modes of Neat Kevlar Fabric and Kevlar Liquid Armor Impregnated with Shear Thickening Fluid 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.20 no.3, 2007년, pp.17 - 24

윤병일 (국방과학연구소 기술연구본부) , 송흥섭 (국방과학연구소 기술연구본부) , 백종규 (국방과학연구소 기술연구본부)

초록
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본 연구는 순수 Kevlar 직물과 실리카 입자를 포함하는 전단농화유체가 함유된 Kevlar 액체방탄재(STF-Kevlar)에 대한 방탄충격에 의한 파단모드 연구이다. Cal.22 파편탄과 9mm FMJ 볼탄에 의한 방탄시험에 의하여 이 두 재료는 거시적 측면에서 다른 파단모드를 보여주었다. 순수 Kevlar 직물에서는 얀의 뽑힘(Pull-out)이, 그리고 STF-Kevlar 액체방탄재에서는 얀의 파단이 충격에너지를 흡수하는 주 기구로 나타났다. 전자주사현미경에 의한 미시적 관찰에서 Kevlar 섬유 표면의 벗겨짐, 섬유가 여러 가닥으로 갈라지는 스프리트, 그리고 섬유의 절단, 이 세가지 파단 모드가 손상 정도의 차이는 있지만 공통적으로 두 재료에서 관찰되었다. STF-Kevlar에서, 얀 섬유의 파단은 첫째는 실리카 입자로 덮여있는 얀-얀, 직물-직물 사이의 마찰력과, 둘째는 충격시 전단농화 현상의 발생으로 얀의 이동이 강력하게 억제되기 때문인 것으로 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the failure modes by ballistic impacts were studied both for a neat Kevlar woven fabric and a Kevlar liquid armor impregnated with shear thickening fluid (STF) containing silica particles. These two materials showed quite different failure modes macroscopically in ballistic impacts tests used by Cal.22 FSP and 9mm FMJ bullet. Yarn pull-out for the neat Kevlar woven fabric and yarn fracture occurred partially through all plies from 1st ply to last one for the STF-Kevlar are an important energy absorption mechanisms. The results observed by S.E.M showed commonly fiber damage which are torn skin in the longitudinal fiber direction, fiber split axially and fiber fracture for two materials. The reasons why STF-kevlar liquid armor material exhibits excellent ballistic performance are as follow: firstly the increased friction forces between yarn-yarn and fabric-fabric covered with silica particles and secondary the evolution of shear thickening phenomenmon resulting in suppression of yarn mobility.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Kevlar섬유의 방탄성능을 높이기 위하여 나노 크기의 실리카 입자가 들어 있는 전단농화 유체를 제조하여 이를 Kevlar 직물에 함침하여 방탄시험을 수행하였다. 본 연구를 통하여 STF-Kevlar 재료가 왜 방탄력이 우수한 지를 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 기존에 방탄재로 사용하고 있는 Kevlar 섬유 직물과, 그리고 Kevlar 직물에 나노 크기의 실리카 입자를 함침한 액체방탄재에 대한 방탄시험을 수행하여 거시적 및 미시적 측면서 어떠한 파단모드로 인하여 충격에너지를 흡수하는 지를 연구하였다. 파단기구의 정확한 이해는 방탄재를 최적으로 설계하는데에 있어서 큰 도움을 주리라 본다.
따라서 이같은 문제를 해결하기 위하여 최근에 Wagner 등[10]은 콜로이달 입자를 함유한 전단농화유체(STF: Shear Thickening Fluid)를 제조하여 이를 아라미드 직물에 함침시키어 방탄 특성 연구를 수행하고 있다. 이 연구의 목적은 개인 병사의 방탄복을 얇고, 가볍고 그리고 유연하게 만들어 소매나 팬츠 부위에 적용하는데에 있다. 이 재료는 일명 액체방탄재(Liquid body armor)라 칭한다.
STF-Kevlar의 경우의 이같은 결과는 첫째는 실리카 나노 입자가 얀-얀 사이에서 마찰력을 상승시키고, 둘째는 충격 지점에서 STF의 전단농화 현상 발생으로 점도가 상승하여 실리카 입자의 뭉침을 일으키어 얀의 이동을 강력하게 억제하기 때문이라 본다. 충격에너지 흡수에 대한 상세한 원인은 전자주사현미경 결과에서 논의하고자 한다.

제안 방법

함침하였다. STF 제조에 사용된 입자는 평균 100nm 크기의 구형 실리카(Nippon Shokubai, KE-P-10)로서 이를 에틸렌그리콜(Ethylene Glycol)에서 분산하였다. STF의 함량은 순수 Kevlar 직물 시편의 무게대비 45%였고, STF 내의 실리카 함량은 65Wt%이다.
방탄성능은 식 1과 같이 방탄재료의 흡수에너지(E.d; energy dissipated)로 부터 구하여 비교하였다.
M: Scanning Electron Microscope Jeol JXA 840A)을 사용하였다. 순수 Kevlar 직물은 Gold 코팅을 하였으며, STF-Kevlar 시편은 50°C의 오븐에서 1일 건조하여 에틸렌그리콜을 제거하거나 혹은 제거하지 않고 S.E.M 관찰을 하였다.
앞에서는 거시적 측면서 순수 Kevlar 직물의 파단형태를 관찰하였다. 여기서는 미시적 측면에서 순수 Kevlar 직물이 어떤 종류의 파단모드가 발생하는 지를 전자주사현미경(S.
여기서는 미시적 측면에서 순수 Kevlar 직물이 어떤 종류의 파단모드가 발생하는 지를 전자주사현미경(S.E.M)을 사용하여 관찰하였다. 순수 Kevlar 직물은 탄에 의한 충격 시에 얀의 뽑힘이 주된 파단임을 앞에서 보았다.
0g으로서 자세한 치수 및 사양은 규격 MIL-P-46593A에 규정되어 있다. 총신 끝에서 표적까지의 거리는 4m이며 탄의 속도는 1m 간격으로 3곳에 설치되어 있는 레이저 센서로 측정하였다. 방탄시험 시에 비관통인 경우 시편 후면의 부풂(bulge) 깊이 또는 관통 깊이를 측정하기 위하여 시험편 뒤에 유점토(clay)를 설치하였으며, 시편 후면과 유점토(70 X 60 X 120 m/m)는 공간 없이 밀착되도록 하였다.
여기서 X 값은 방탄시험 시에 점토의 관통깊이 혹은 시편의 후면 변형 깊이인 부풂을 나타낸다. 한편 방탄성능은 탄환의 에너지흡수율(E.D.P: energy dissipation percent)로 평가하였는데 이 값은 다음 식으로부터 구하였다. E.

대상 데이터

22 FSP와 유사한 파단현상을 보여주었으나, 다만 손상 정도가 다를 뿐이다. 관찰된 주요 파단모드는 섬유 표면의 벗겨짐, 스프리트, 그리고 섬유파단이다. 특히 이 시험에서는 Fig.
방탄시험에 사용된 총포는 Cal. 22(5.56mm) 파편탄(FSP: Fragment Simulated Projectile)과 9mm FMJ(Full Metal Jacket) 권총탄 2종류를 사용하였다. Cal.
본 실험에서 방탄섬유로는 미 Mexcel사가 생산하는 Kevlar 직물 KM-2 상품을 사용하였다.[Table 1]
방탄시험 시에 비관통인 경우 시편 후면의 부풂(bulge) 깊이 또는 관통 깊이를 측정하기 위하여 시험편 뒤에 유점토(clay)를 설치하였으며, 시편 후면과 유점토(70 X 60 X 120 m/m)는 공간 없이 밀착되도록 하였다. 시험편의 크기는 75 X 75 m/m로서 4층으로 적층되어 있다. 탄속은 Cal.

이론/모형

방탄시험 후에 파단 모드를 관찰하기 위하여 주사전자현미경(S.E.M: Scanning Electron Microscope Jeol JXA 840A)을 사용하였다. 순수 Kevlar 직물은 Gold 코팅을 하였으며, STF-Kevlar 시편은 50°C의 오븐에서 1일 건조하여 에틸렌그리콜을 제거하거나 혹은 제거하지 않고 S.

성능/효과

이동이 억제된 얀은 탄의 충격에너지를 그대로 흡수하므로써, 일부 얀의 파단이 일어나는 것으로 보인다. 결과적으로 얀 섬유의 파단으로 충격에너지를 상당히 흡수하므로써 후면 변형을 크게 줄여 준다고 할 수 있다.
Kevlar 직물에 함침하여 방탄시험을 수행하였다. 본 연구를 통하여 STF-Kevlar 재료가 왜 방탄력이 우수한 지를 확인할 수 있었다.
직물의 높은 방탄저항성은 탄에 충격을 받은 얀이 뽑힘(pull-out)에 의하여 일어난다고 하였다. 섬유의 에너지 전달은 뽑힘 지역의 부피에 따라서 증가함을 관찰하였다. 대부분의 연구자들은 거시적 측면에서 아라미드 섬유 등의 방탄 특성 모드를 관찰하였으나, 미시적 관점에서 아라미드 방탄 섬유 등이 충격에너지를 흡수하고, 방탄충격 저항성을 크게 나타내는 지에 대한 상세한 연구는 많이 발표되지 않고 있다.
한편 실리카 입자를 함유한 STF-Kevlar 액체방탄재의 경우에서는 거시적 측면에서 후면 변형의 높이는 낮고, 폭은 보다 넓게 일어나므로써, 충격에너지의 흡수와 전달이 우수함을 알 수 있었다. 동일 적층 수에서 에너지흡수율(E.

후속연구

22 경우), 충격에너지가 큰 조건(9mm FMJ 경우)에서는 잘 일어나는 것으로 보인다. Kevlar 섬유의 경우에 스프리트 모드는 아주 중요한 에너지 흡수 형태로서 이에 대한 상세한 연구를 통하여 방탄력을 예측할 수 있을 것이다.
STF-Kevlar에서 나노 입자들에 의한 마찰력과 전단농화 발생 중 어느 현상이 방탄력 상승에 더 기여하는 지에 대한 추가적인 연구가 요구되며, 전단농화 발생으로 나노 입자가 뭉치는 것으로 알려져 있는데 이 같은 현상을 입증하는 연구도 이루어져야 한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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