DİLATANT MALZEMELERİN BALİSTİK ÖZELLİKLERİNİN DENEYSEL ARAŞTIRMASI. Hilal Kemal ŞENYILMAZ DOKTORA TEZİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

(1)

(2)

DİLATANT MALZEMELERİN BALİSTİK ÖZELLİKLERİNİN DENEYSEL ARAŞTIRMASI

Hilal Kemal ŞENYILMAZ

DOKTORA TEZİ

MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

HAZİRAN 2018

(3)

Hilal Kemal ŞENYILMAZ tarafından hazırlanan “DİLATANT MALZEMELERİN BALİSTİK ÖZELLİKLERİNİN DENEYSEL ARAŞTIRMASI” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi Makine Mühendisliği Anabilim Dalında DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir.

Danışman: Prof. Dr. İbrahim USLAN Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Doktora Tezi olduğunu onaylıyorum.

...………….…….

Başkan: Prof. Dr. Can ÇOĞUN Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Çankaya Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Doktora Tezi olduğunu onaylıyorum. ..……….……

Üye: Prof. Dr. Halil İbrahim ÜNAL Kimya Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Doktora Tezi olduğunu onaylıyorum.

....……….………..

Üye: Prof. Dr. Erdem ACAR

Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Doktora Tezi olduğunu onaylıyorum. ...………..

Üye: Doç. Dr. Teyfik DEMİR

Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Doktora Tezi olduğunu onaylıyorum. ....………...

Tez Savunma Tarihi: 28/06/2018

Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Doktora Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini onaylıyorum.

……….…….

Prof. Dr. Sena YAŞYERLİ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

(4)

ETİK BEYAN

Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;

 Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,

 Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,

 Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,

 Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,

 Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu,

bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.

Hilal Kemal ŞENYILMAZ 28/06/2018

(5)

DİLATANT MALZEMELERİN BALİSTİK ÖZELLİKLERİNİN DENEYSEL ARAŞTIRMASI

(Doktora Tezi) Hilal Kemal ŞENYILMAZ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Haziran 2018 ÖZET

Savaşlar, çatışmalar ve terörizm insanlığın ortak sorunudur. Bu sorunlardan dolayı geçmişte olduğu gibi bugün de farklı ülkelerin vatandaşları olan binlerce asker ve sivil hayatını kaybetmektedir. Özellikle askeri alanda silah sistemlerindeki gelişmelere paralel olarak zırh sistemleri de bahsi geçen kayıpların engellenmesi için gelişmesini farklı alanlarda sürdürmektedir. Bu alanlar incelendiğinde özellikle mermi ve şarapnel tipi tehditlere karşı kullanılan zırh tipleri öne çıkmaktadır. Bu zırhlar sert zırh plakaları şeklinde olabileceği gibi yumuşak olup vücut zırhları şeklinde de kullanılabilmektedirler.

Bu tez çalışmasında yumuşak vücut zırhlarında kullanılan Twaron^® CT709 kumaşın balistik dayanımının, vizkoelastik özellik gösteren poli(borosiloksan) (PBDMS) polimeri emdirilmesi sonrasındaki durumu incelenmiştir. Çalışmada, PBDMS; iki farklı viskozite değerine sahip poli(dimetilsiloksan) (PDMS) kullanılarak elde edilmiştir. Yapılan reolojik testler sonucunda daha yüksek depolama modülü (G’) değerine sahip PBDMS, Twaron^® CT709 balistik kumaşın Scoured (SC) ve Water Repellent (WRT) tiplerine farklı oranlarda emdirilmiştir. Yapılan taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri ile PBDMS polimerinin kumaş üzerindeki dağılımları incelenmiştir. Hazırlanan numunelere iplik çekme ve iplik sürtünme testleri yapılmıştır. Farklı PBDMS emdirme oranına sahip numuneler atışlı testlere tabi tutulmuştur. Ardından kumaşın finiş tipinin, PBDMS emdirme sonrasındaki balistik dayanıma etkisi incelenmiştir. PBDMS polimerinin, Twaron^® CT709 SC kumaşına emdirilmesi sonrasında balistik dayanımı artırıcı etkisi, reolojik, iplik çekme, iplik sürtünme ve balistik testler yapılarak kanıtlanmıştır. WRT tipi kumaşlarda ise PBDMS emdirilmesi sonrasında balistik dayanım artmasına rağmen, PBDMS emdirme oranı ile bu artış arasında sağlıklı bir ilişki kurulamamıştır. Son olarak yapılan analiz çalışmaları ile sonraki çalışmalarda kullanılabilecek balistik model ortaya konulmuştur.

Bilim Kodu : 91405

Anahtar Kelimeler : Vücut zırhı, PBDMS, balistik, reoloji Sayfa Adedi : 96

Danışman : Prof. Dr. İbrahim USLAN

(6)

EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE BALLISTIC PROPERTIES OF DILATANT MATERIALS

(Ph.D. Thesis) Hilal Kemal SENYILMAZ

GAZİ UNIVERSITY

GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES June 2018

ABSTRACT

War, conflict and terrorism are common problems of mankind. Because of these problems, thousands of soldiers and civilians, who are citizens of different countries today as they were in the past, lose their lives. Parallel to developments in the military field weapon systems in particular, armor systems continue to evolve in various fields to prevent losses.

When these areas are examined, especially armor types used against bullet and shrapnel type threats are foreground. These armors can be in the form of hard armor plates or soft armors. In this study, the ballistic strength of Twaron^®CT709 fabric used in soft body armor was investigated after impregnation with viscoelastic poly(borodimethylsiloxane) (PBDMS) polymer. In the research, PBDMS; were obtained using poly(dimethylsiloksane) (PDMS) with two different viscosity values. As a result of the rheological tests performed, PBDMS with higher storage modulus (G') values were impregnated to the Scoured (SC) and Water Repellent (WRT) types of Twaron^® CT709 ballistic fabric with different ratios.

The distributions of the PBDMS polymer on the fabric were investigated by scanning electron microscopy (SEM) analyzes. The prepared samples were subjected to yarn pull- out and yarn friction tests. The samples with different PBDMS impregnation ratios were subjected to ballistic tests. At the same time, effect of the ballistic endurance of the finish type of fabric after PBDMS impregnation was investigated. After the PBDMS polymer is impregnated into Twaron^® CT709 SC fabric, ballistic strength enhancement effect was proven by rheological, yarn pull-out, yarn friction and ballistic tests. In WRT type fabrics, although the ballistic strength increased after PBDMS impregnation, no reliable relationship between the PBDMS impregnation ratio and this increase. Further, the ballistic model which can be used in the follow up study is presented.

Science Code : 91405

Key Words : Body armor, PBDMS, ballistic, rheology Page Number : 96

Supervisor : Prof. Dr. İbrahim USLAN

(7)

TEŞEKKÜR

Bu doktora tez çalışmasını yapma sebebim, özellikle terörle mücadele harekatı kapsamında görev alan silah arkadaşlarımın üzerlerine giymiş oldukları vücut zırhlarının etkinliğini artırarak daha fazla koruma sağlamak, mümkünse ağırlığının azaltılmasını sağlayarak üzerlerine daha fazla faydalı yük almalarını sağlamaktı. Bana bu imkânı vererek doktora tezimi tamamlamamı sağlayan, desteğini hiç esirgemeyen, bilgi ve tecrübeleri ile beni yönlendiren çok kıymetli tez hocam Prof.Dr. İbrahim USLAN’a teşekkürü borç bilirim.

Tez çalışmam boyunca verdikleri fikirlerle beni yönlendiren, laboratuvarlarını kullanmam için sonuna kadar destek veren, testler anındaki çıkmazlarımda tecrübeleri ile bana yol gösteren çok kıymetli hocalarım Prof.Dr. Halil İbrahim ÜNAL’a ve Doç.Dr. Teyfik DEMİR’e ne kadar teşekkür etsem azdır. Reolojik ölçümlerde bana yardımcı olan Can ŞAMİLOĞLU’na ve Hasan KAŞIKÇI’ya, ATR-FTIR analizleri için Gazi Üniversitesi Fotonik Uygulama ve Araştırma Merkezine, temas açısı ölçümü almamda bana yardımcı olan Melda ESKİTOROS TOĞAY’a ve balistik testlerimi gerçekleştirdiğim Nurol Teknoloji A.Ş. çalışanlarına teşekkür ederim.

Doktora çalışmalarımı yürütebilmem için “Başlangıç Ar-Ge Projeleri Destekleme Programı” kapsamında 215M037 proje numarası ile verilen destekten dolayı TÜBİTAK’a teşekkür ederim.

Doktora çalışmam boyunca desteklerini hiç esirgemeyen ve beni sürekli teşvik eden sevgili eşim Didem, biricik kızlarım İlkim Naz ve İdil Derin başta olmak üzere beni yetiştiren anneme, babama ve tüm aileme teşekkür ederim.

Yapmış olduğum bu çalışmayı, Zeytindalı Harekatında (AFRİN) şehit düşen çok sevdiğim arkadaşım “Şehit Kara Pilot Yüzbaşı Mehmet İlker KARAMAN” başta olmak üzere, vatanımız için canlarını feda eden tüm şehitlerimize ithaf ediyorum.

Hiçbir zaman unutulmayacaksınız.

Hilal Kemal ŞENYILMAZ

(8)

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET ... iv

ABSTRACT ... v

TEŞEKKÜR ... vi

İÇİNDEKİLER ... vii

ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... x

ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... xi

RESİMLERİN LİSTESİ ... xiv

SİMGELER VE KISALTMALAR... xvi

1. GİRİŞ

... 1

2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI

... 5

2.1. Balistik Kumaşta Hasar Mekanizması ... 5

2.1.1. İplik içerisinde gerinim dalgalarının yayınımı ... 5

2.1.2. Kumaş içerisinde gerinim dalgalarının yayınımı ... 6

2.1.3. Tehdit hızının kumaş üzerindeki etkisi ... 7

2.2. Balistik Performansı Belirleyen Başlıca Etmenler ... 8

2.2.1. İpliğin mekanik özellikleri ... 8

2.2.2. Sürtünme ... 10

2.2.3. Dokuma tipi ... 11

2.2.4. Katman sayısı ... 11

2.2.5. Kumaş katmanlarının birleştirme şekli ... 12

2.3. Balistik Dayanımın Ölçümü ... 12

2.4. Balistik Mukavemetin Araştırılması ... 14

2.4.1. Deneysel yöntem ... 15

2.4.2. Analitik yöntem ... 15

2.4.3. Sayısal yöntem ... 16

(9)

Sayfa

2.5. İplikler Arası Sürtünme Katsayısının Belirlenmesi ... 18

2.6. İplikler Arası Sürtünmenin Artırılması Çalışmaları ... 19

2.7. Aramid İplik ... 22

3. MALZEME VE YÖNTEM

... 25

3.1. PBDMS Polimerinin Eldesi ... 25

3.2. Twaron^® CT709 Kumaşlara PBDMS Polimerinin Emdirilmesi ... 26

3.3. SEM Analizleri ... 27

3.4. İplik Çekme Testleri ... 28

3.5. Temas Açısı Ölçümleri ... 29

3.6. Sürtünme Testleri ... 30

3.7. Balistik Testler ... 31

3.8. Analiz Çalışmaları ... 33

3.8.1. ANSYS/ Ls-Dyna programı ... 33

3.8.2. Balistik problemin modellenmesi ... 34

4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA

... 43

4.1. ATR-FTIR Analizi ... 43

4.2. Reolojik Testler ... 44

4.2.1. L-PBDMS polimeri ile yapılan testler ... 45

4.2.2. H-PBDMS polimeri ile yapılan testler ... 48

4.3. Numunelerin Hazırlanması ... 49

4.4. İplik Çekme Testleri ... 50

4.4.1. SC kumaş ile hazırlanan numunelerin iplik çekme testi ... 50

4.4.2. WRT kumaş numunelerinin iplik çekme testi ... 54

4.5. Kumaş Üzerinde Yapılan SEM Analizleri ... 59

4.6. Temas Açısı Ölçümleri ... 61

4.7. Sürtünme Testleri ... 63

(10)

Sayfa

4.8. Balistik Test Sonuçları ... 65

4.8.1. Kontrol numunelerine ait test sonuçları ... 65

4.8.2. PBDMS Emdirilmiş numunelere ait test sonuçları ... 67

4.8.3. Balistik test sonuçlarının irdelenmesi ... 69

4.9. Hasar Bölgelerinin İncelenmesi ... 72

4.9.1. Hasar bölgelerinin fotoğrafik incelemesi ... 72

4.9.2. Hasar bölgesine ait SEM analizleri ... 78

4.10. Analiz Sonuçlarının İrdelenmesi... 79

5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER

... 83

KAYNAKLAR ... 85

ÖZGEÇMİŞ ... 95

(11)

ÇİZELGELERİN LİSTESİ

Çizelge Sayfa

Çizelge 2.1. Fiberlerin mekanik özellikleri... 9

Çizelge 2.2. Gerinim enerjisindeki artış yüzdesi ... 11

Çizelge 2.3. Tehdit seviyesi tablosu ... 15

Çizelge 2.4. Balistik test sonuçları ... 21

Çizelge 2.5. Aramid elyaf türleri ve özellikleri ... 24

Çizelge 3.1. Twaron^® CT709 mekanik özellikleri ... 27

Çizelge 3.2. Twaron^® CT709 kumaş adedi bilgileri ... 37

Çizelge 3.3. Mermiye ait mekanik özellikler ... 39

Çizelge 3.4. Plastilin mekanik özellikleri ... 40

Çizelge 4.1. Borik asit için ATR-FTIR sonuçları ... 43

Çizelge 4.2. PDMS polimeri için ATR-FTIR sonuçları ... 44

Çizelge 4.3. PBDMS polimeri için ATR-FTIR sonuçları... 44

Çizelge 4.4. PBDMS oranları ... 51

Çizelge 4.5. Temas açısı değerleri ... 63

Çizelge 4.6. Temas açısı değerleri ... 63

Çizelge 4.7. SC kumaşlara ait sürtünme katsayısı değerleri ... 64

Çizelge 4.8. Balistik test numuneleri-1 ... 66

Çizelge 4.9. Balistik test numuneleri-2 ... 67

Çizelge 4.10. PBDMS emdirilmiş kumaşlara ait balistik test sonuçları ... 68

Çizelge 4.11. Tepki kuvveti-eşdeğer katman sayısı değerleri ... 71

Çizelge 4.12. SC numunelere ait ağırlık karşılaştırması ... 71

(12)

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Şekil Sayfa

Şekil 1.1. Aramid kumaş ... 1

Şekil 2.1. Balistik darbeye maruz iplik ... 6

Şekil 2.2. Darbe esnasında birincil ve ikincil iplikler ... 7

Şekil 2.3. Mermi hızı ölçümü düzeneği ... 13

Şekil 2.4. Çöküntü derinliği ... 14

Şekil 2.5. Üç boyutlu sürekli model... 17

Şekil 2.6. Çekme kuvveti-yer değiştirme grafiği ... 19

Şekil 2.7. Test konfigürasyonları ... 21

Şekil 2.8. Aramid fibere ait polimer zinciri ... 23

Şekil 3.1. PBDMS polimerleşme tepkimesi ... 25

Şekil 3.2. Twaron^® kumaş ... 26

Şekil 3.3. Basma kuvveti ayarlanabilir sıkma merdanesi ... 27

Şekil 3.4. İplik çekme testi aparatı ... 28

Şekil 3.5. İplik sürtünme testi ... 30

Şekil 3.6. Test kurulumu ve kumaş numunesi ... 30

Şekil 3.7. Test düzeneği ... 32

Şekil 3.8. Ls-Dyna kart sistemi ... 33

Şekil 3.9. İplik malzeme modeline ait kart ... 34

Şekil 3.10. İplik malzeme modeline ait kartın Ls-Prepost görünümü ... 34

Şekil 3.11. Çeyrek balistik model ... 35

Şekil 3.12. İpliğe ait kesit özellikleri ... 36

Şekil 3.13. İpliğin kabuk modeli ve katı model benzetimi ... 37

Şekil 3.14. İpliğin kesit modeli ... 37

Şekil 3.15. Kumaş modeli ... 38

(13)

Şekil Sayfa

Şekil 3.16. Mermi modeli ... 39

Şekil 3.17. Plastilin modeli ... 40

Şekil 4.1. ATR-FTIR analizi ... 43

Şekil 4.2. G’, G” ve tan (δ)’nın frekansa bağlı değişimi ... 46

Şekil 4.3. PBDMS içinSürünme-geri kazanım grafiği (0 Pa-1000 Pa)... 47

Şekil 4.4. G’, G” ve tan(δ) değerlerinin sıcaklık ve frekansa bağlı değişimi ... 48

Şekil 4.5. L-PBMDS ve H-PBDMS polimerleri G’, G” ve Tan (δ) değerlerinin frekansa bağlı değişimi ... 49

Şekil 4.6. L-PBDMS ve H-PBDMS polimerlerine ait kompleks viskozite değerlerinin frekansa bağlı değişimi ... 50

Şekil 4.7. SC-0 numunesi iplik çekme testi ... 52

Şekil 4.8. A1 numunesi iplik çekme testi ... 53

Şekil 4.12. WRT-0 numunesi iplik çekme testi ... 55

Şekil 4.17. SC kumaşlarına ait 5 mm/dakika çekme hzındaki iplik çekme testi ... 58

Şekil 4.18. SC kumaşlarına ait 500 mm/dakika çekme hzındaki iplik çekme testi ... 58

Şekil 4.19. WRT kumaşlarına ait 5 mm/dakika çekme hzındaki iplik çekme testi ... 59

Şekil 4.20. WRT kumaşlarına ait 500 mm/dakika çekme hzındaki iplik çekme testi .... 59

Şekil 4.21. Örnek çıkış gerilmesi grafiği ... 64

Şekil 4.22. 25,30 ve 35 kat SC kumaşlara ait tepki kuvveti-katman sayısı grafiği ... 70

(14)

Şekil Sayfa

Şekil 4.23. Hız-zaman grafiği ... 80

Şekil 4.24. Yer değiştirme-zaman grafiği ... 80

Şekil 4.25. Test ve analiz sonucunda kumaş hasar durumu ... 81

Şekil 4.26. Kumaş katmanları delinme durumu... 81

Şekil 4.27. Plastilin deformasyon miktarı ... 82

(15)

RESİMLERİN LİSTESİ

Resim Sayfa

Resim 1.1. Plastilin üzerinden çöküntü derinliği ölçümü ... 2

Resim 2.1. Dikiş tipleri ... 12

Resim 2.2. İplik çekme aparatı ... 19

Resim 3.1. Thermo-Haake RS600 elektro-tork reometre cihazı ... 26

Resim 3.2. DSA 100 temas açısı ölçüm cihazı ... 29

Resim 3.3. Temas açısı ölçüm numunesi ... 29

Resim 3.4. 9x19 mm FMJ mermi ... 31

Resim 3.5. Atışlı test merkezi görünümü... 32

Resim 4.1. PBDMS emdirilmiş SC kumaşlar a) kontrol numunesi, b) A1, c) A2, d) A3, e) A4 ve f) A4 (x1000) ... 60

Resim 4.2. PBDMS emdirilmiş WRT kumaşlar a) kontrol numunesi, b) A5, c) A6, d) A7, e) A8 ve f) A8 (x1000) ... 61

Resim 4.3. a) PBDMS emdirilmiş WRT kumaş b) PBDMS emdirilmiş SC kumaş ... 62

Resim 4.4. Temas açısı ölçümleri a) SC kumaş b) WRT kumaş ... 62

Resim 4.5. Numunelere ait balistik testler ... 65

Resim 4.6. Şahit macun üzerinden çöküntü derinliği ölçümü ... 65

Resim 4.7. PBDMS emdirilmiş WRT kumaş ... 69

Resim 4.8. SC-0 numunesi iplik çekilme ve kesilme bölgeleri ... 72

Resim 4.9. SC-0 numunesi iplik çekilme bölgeleri ... 73

Resim 4.10. WRT-0 numunesi iplik çekilme ve kesilme bölgeleri ... 73

Resim 4.11. WRT-0 numunesi iplik çekilme bölgeleri ... 74

(16)

Resim Sayfa

Resim 4.20. a) %0 PBDMS emdirme oranına sahip SC kumaş, b)%23,61 PBDMS .... 79

(17)

SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.

Simgeler Açıklamalar

c Gerinim dalgası hızı

E Elastisite modülü

ρ Yoğunluk

u_lab Enine dalga hızı

𝜸, 𝛆 Gerinim (%)

𝜸̇ Kesme Hızı

μ Sürtünme Katsayısı

μs Statik sürtünme Katsayısı

μd Dinamik Sürtünme Katsayısı

ʋ Relatif Hız

c Üstel Bozunma Katsayısı

σ Kopma gerilmesi

tex, Dtex İplik ağırlık birimi

G’ Depolama modülü

G” Kayıp modülü

tan(δ) Sönüm

η^* Kompleks viskozite

F Kuvvet

E Kinetik enerji

x Yol

Kısaltmalar Açıklamalar

APCVD Atmosferik basınçlı kimyasal buhar biriktirme

ATR-FTIR Attenuated Total Relectance Fourier Dönüşümlü

Kızılötesi Spektroskopisi

FMJ Metal kaplamalı çekirdek

(18)

Kısaltmalar Açıklamalar

H-PBDMS Yüksek Viskoziteli PDMS ile Hazırlanan PBDMS

L-PBDMS Düşük Viskoziteli PDMS ile Hazırlanan PBDMS

NIJ Ulusal Hukuk Enstitüsü

OH Hidroksil

PBDMS Poli(borodimetilsiloksan)

PDMS Poli(dimetilsiloksan)

PEG Poli(etilenglikol)

SC Yıkanmış

SEM Taramalı elektron mikroskopisi

UHMWPE Çok yüksek molekül ağırlıklı polietilen

WRT Su ittirici apre kaplı

(19)

1. GİRİŞ

Süngü, mermi ve şarapnel tipi tehditlere karşı 1870’lerden beri kullanılan vücut zırhları, teknik elyafların geliştirilmesi ile birlikte daha hafif ancak daha etkili hale gelmiştir.

Günümüzde bu tip tehditlere karşı en çok yüksek yoğunluklu polietilen (DSM-Dyneema, Honeywell-Spectra vb.) ve aramid (DuPont-Kevlar, Teijin-Twaron, Honeywell-GoldFlex vb.) elyaflarından oluşan zırhlar kullanılmaktadır. Söz konusu elyaflar kullanılarak sert ve yumuşak olmak üzere iki tip zırh imal edilebilir. Sert zırh plakaları ile tekerlekli ve tırtıllı araçlar ile hava araçlarının ve sabit tesislerin zırhlandırması yapılabileceği gibi, personeli korumak maksadıyla, koruyucu başlık, el kalkanı da yapılabilir. Ayrıca yumuşak zırh plakaları ile bomba battaniyeleri ve vücut zırhlandırılmasında kullanılan yelekler de imal edilebilir. Söz konusu bu zırh sistemleri ile ilgili sayısal ve deneysel çalışmalar literatürde oldukça fazladır. Bu çalışmalar genel olarak zırh sistemlerinde kullanılan malzemelerin optimizasyonu ile ilgilidir [1-9]. Optimizasyon çalışmaları yalnızca zırhın performansının artırılması için değil, aynı zamanda zırhın hafifleştirilerek personelin daha rahat hareket etmesini sağlamak maksadıyla yapılmaktadır. Vücut zırhlarında genellikle aramid kumaşlar kullanılmaktadır (Şekil 1.1).

Şekil 1.1. Aramid kumaş

Zırhın kalınlığını belirleyen ise tehdidin cinsidir. Vücut zırhı araştırmalarının amacı daha ucuz, hafif ve giyilebilir zırh sistemleri geliştirmektir [10]. Savaş ve çatışma şartlarında

(20)

personelin taşıyacağı yük büyük önem arz etmekte, harekâtla ilgili planlamalar yapılırken bu ağırlığın da dikkate alındığı bilinmektedir. Bu ağırlık, personelin teçhizatına ilave olarak üzerine giydiği zırhın ağırlığını da içermektedir. Bu zırhın ağırlığının azaltılması, personelin daha çok mesafe kat etmesine, daha fazla faydalı yük (mühimmat, yiyecek vb.) almasına olanak sağlayacağından, zırhı hafifleştirebilmek için yeni balistik kumaş ve dokuma türleri ile daha hafif zırh sistemlerinin geliştirilmesine devam edilmektedir.

Ağırlığının yanında zırhın kalınlığının azaltılması, zırhı kullanan personelin hareket serbestliği açısından önemlidir. Ancak zırhın kalınlığı incelirken mukavemetinin azalmaması büyük önem arz etmektedir.

Vücut zırhlarının performans ölçütü yalnızca hafiflik değildir. Aynı zamanda zırhın vücuda temas eden yüzeyinde çarpma sonrası oluşan deformasyon miktarı da önemli bir ölçüttür.

Amerikan Ulusal Hukuk Enstitüsü (NIJ) tarafından oluşturulan ve hemen hemen bütün dünya ülkeleri tarafından da kabul edilen standarda göre [11], mermi, şarapnel gibi tehditlerle yapılan balistik darbe sonrasında zırhın arka yüzeyinden ölçülen çöküntü miktarı en fazla 44 mm olmalıdır. Bu sınırın aşılması, personelin hayatını kaybetmesine sebep olacak ciddi yaralanmaları da beraberinde getirmektedir. Balistik testlerde bu sınır, zırh plakasının arkasına yerleştirilmiş plastilin adı verilen bir macun üzerinden çöküntü derinliğinin ölçülmesi yoluyla kontrol edilir (Resim 1.1). Bu sınırın 44 mm’yi aşması durumunda zırhın testi geçmediği anlaşılır.

Resim 1.1. Plastilin üzerinden çöküntü derinliği ölçümü

(21)

Balistik özellikli kumaşlar kullanılarak oluşturulan vücut zırhlarının gösterdiği performans bir takım faktörlere bağlıdır. Bu faktörler, zırhı meydana getiren kumaşın mekanik özellikleri, dokuma özellikleri, kullanılan katman sayısı, tehdidin hızı ve sürtünme şeklinde özetlenebilir. Sürtünme; kumaşı oluşturan fiber demetlerinin birbirine sürtünmesi ve fiber demeti ile tehdit arasındaki sürtünme şeklinde ortaya çıkar.

Bu çalışmada aramid kumaşı oluşturan fiber demetleri arasındaki sürtünmenin artırılması için PBDMS polimeri kullanılmıştır. PBDMS dilatant bir polimerdir ve kayma kalınlaşması (shear thickening) göstermektedir [12]. Song ve arkadaşları, kevlar ve çok yüksek molekül ağırlıklı polietilen (UHMWPE) kumaşlara iki farklı tipte Silika-Etilen glikol ve ticari ismi Dow 3179 olan polimer dilatantı emdirerek süngüleme testine tabi tutmuşlar, kuru kevlar ve UHMWPE’ye göre balistik dayanımın arttığını rapor etmişlerdir [13]. Song ve arkadaşları başka bir çalışmalarında içerisine küresel silika tanecikleri karıştırdıkları PBDMS polimerini aramid kumaşlara emdirmişler, balistik ve süngüleme testine tabi tuttukları numunelerin balistik dayanımlarının yükseldiğini rapor etmişlerdir [14]. Zhao ve arkadaşları, içerisine amorf silika tanecikleri karıştırdıkları PBDMS polimerini iki ve üç boyutlu kevlar kumaşlara emdirmişler, söz konusu kumaşların kuru kumaşlara göre balistik ve süngüleme testlerinde daha iyi performans sergilediğini göstermişlerdir [15].

Yukarıda verilen makaleler incelendiğinde, kullanılan kevlar kumaşların finiş tipi ve kumaşlara emdirilen PBMDS polimerinin miktarı belirtilmediği gibi, söz konusu çalışmalarda emdirme miktarı-balistik dayanım karşılaştırmalarının yapılmadığı [13-15], PBDMS polimerin fiber demetleri arasında sürtünmeleri artırıp artırmadığının incelenmediği ve PBDMS polimerin reolojik testlerinden elde edilebilecek viskoelastik özellikleri ile zırh sisteminin deformasyon hızı arasında bağıntı kurulmadığı anlaşılmıştır.

Çalışmamızda PBDMS, iki farklı viskozite değerine sahip PDMS kullanılarak elde edilmiştir. Yapılan reolojik testler sonucunda daha yüksek depolama modülü (G’) değerine sahip PBDMS, Twaron^® CT709 balistik kumaşın Scoured (SC) ve Water Repellent (WRT) tiplerine farklı oranlarda emdirilmiştir. Yapılan SEM analizleri ile PBDMS polimerinin kumaş üzerindeki dağılımları incelenmiştir. Hazırlanan numunelere iplik çekme ve sürtünme testleri yapılmıştır. Farklı PBDMS emdirme oranına sahip numuneler atışlı

(22)

testlere tabi tutulmuştur. Aynı zamanda kumaşın finiş tipinin, PBDMS emdirme sonrasındaki balistik dayanıma etkisi incelenmiştir.

Zırh sisteminin deformasyon hızı aşağıdaki eşitlik ile bulunmuştur [16]:

𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑠𝑦𝑜𝑛 𝐻𝚤𝑧𝚤 (𝑠⁻¹) = 𝑇𝑒ℎ𝑑𝑖𝑡 𝐻𝚤𝑧𝚤(^𝑚_𝑠)

𝑇𝑒ℎ𝑑𝑖𝑡 Ç𝑎𝑝𝚤 (𝑚) (1.1) Yukarıdaki bağıntıdan bulunan deformasyon hızı ile PBDMS polimerin depolama modülünün, kayıp modülünden (G’>G’’) büyük olduğu bölgenin frekansına denk gelen aralık karşılaştırılarak, PBDMS polimerin balistik darbe altında elastik bölgeye geçip geçmediği tespit edilmiştir. Böylece PBDMS polimeri emdirilerek hazırlanan balistik test numunelerindeki darbe dayanımının yükselmesinin, PBDMS polimerin lifler arası sürtünmeleri ve hidrojen bağı etkileşimlerini artırmasının yanında elastik özelliklerine bağlı olup olmadığı da belirlenmiştir.

İplik sürtünme testlerinden elde edilen veriler ve kumaşa ait teknik özellikler kullanılarak, balistik modelleme yapılmıştır. Oluşturulan model ile gerçek balistik testlerde elde edilen çöküntü derinlikleri karşılaştırılmıştır.

(23)

2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI

Giriş bölümünde bahsedildiği gibi yumuşak vücut zırhları, teknik elyafların farklı tiplerde dokunmasıyla oluşturulan kumaş katmanlarından oluşmaktadır. Yumuşak vücut zırhlarında balistik dayanımı artırmak için öncelikle balistik darbeye maruz kalan kumaşın davranışını tam olarak kavrayabilmek gerekmektedir. Bu bölümde balistik kumaşta hasar mekanizması, balistik performansı belirleyen etmenler ve tez çalışması kapsamında balistik dayanımın ölçümünde kullanılan test metodu ele alınmıştır.

2.1. Balistik Kumaşta Hasar Mekanizması

Kumaş katmanlarından oluşan zırh sistemine bir mermi çarptığında zırh sistemi üzerinde gerinim dalgaları oluşur. Balistik enerji bu dalgaların yayınımı sayesinde emilir. Oluşan bu dalgaların kumaşı oluşturan ipliğe ve tek katman olarak kumaşa olmak üzere etkileri aşağıda detaylı olarak incelenmiştir. Balistik darbede tehdidin hızı kumaş hasar mekanizmasında rol oynayan en önemli faktörlerden birisidir. Hızın değişimi ile kumaştaki hasar durumu bu kısımda incelenmiştir.

2.1.1. İplik içerisinde gerinim dalgalarının yayınımı

Balistik darbe esnasında iplik üzerinde oluşan gerinim dalgalarının yayınımı birçok araştırmacı tarafından çalışılmıştır [10, 17, 18]. Mermi, kumaşı oluşturan ipliğe çarptığında oluşan boyuna gerinim dalgaları, iplik içerisinde Eş. 2.1 ile hesaplanan hızda hareket ederek çarpma noktasından uzaklaşır. İplik sınırından geri dönüşünde ipliği gererek uzamaya zorlar. Boyuna dalganın hızı mermi hızından bağımsızdır.

c = √

^E

ρ (2.1)

Burada;

c

boyuna gerinim dalgasının hızı (m/s), E ipliğe ait elastik modülü (Pa) ve

ρ

ipliğe ait yoğunluktur (g/m³).

(24)

Enine dalgalar ise daha yavaştır ve merminin hızına bağlıdır. Bu dalgalar ipliği mermi ile aynı yönde hareket ettirir (Şekil 2.1). Gerinim, ipliğin limit değerine ulaştığında hasar meydana gelir. Enine dalganın hızı (

𝑢

_𝑙𝑎𝑏) “Eş.2.2”den hesaplanabilir [19, 20]:

𝑢

_𝑙𝑎𝑏

= 𝑐(√𝜀(1 + 𝜀) − 𝜀)

(2.2)

Burada

𝜀

ipliğe ait gerinim değeridir.

Şekil 2.1. Balistik darbeye maruz iplik [21]

2.1.2. Kumaş içerisinde gerinim dalgalarının yayınımı

Balistik darbe anında merminin kumaşla ilk temas etiği noktadaki iplikler birincil iplikler, temasın dışında kalanlar ise ikincil iplikler olarak adlandırılabilir (Şekil 2.2). Mermi teması sırasında kumaşın verdiği cevap, tek ipliğin verdiği cevaba benzerlik gösterir [10, 17].

(25)

Mermi kumaşa çarptığı anda birincil ipliklerde darbe yönünde enine yer değiştirme ve iplikler boyunca malzeme içerisindeki ses yayılım hızında boyuna gerinim dalgaları meydana getirir. Birincil iplikleri kesen ikincil iplikler, birincil iplikler tarafından orijinal kumaş düzleminden çekilir. Bu ikincil iplikler deformasyona uğrar ve birincil ipliklere benzer olarak üzerlerinde gerinim dalgaları oluşur. Benzer şekilde bu ikincil iplikler de kendileri ile kesişen diğer iplikleri yönlendirir. İplikler arasındaki sürtünmeye bağlı olan bu etkileşimler ikincil ipliklerin darbe noktasına doğru eğilmelerine sebep olur. Enine yer değiştirme, gerinim artışının kopmaya sebep olan gerinim değerine ulaşmasına kadar devam eder [10].

Şekil 2.2. Darbe esnasında birincil ve ikincil iplikler [22]

2.1.3. Tehdit hızının kumaş üzerindeki etkisi

Balistik darbede tehdidin bir başka deyişle merminin hızı kumaşın darbeye verdiği cevabı belirler. Bu cevaplar global ve lokal cevaplar olarak adlandırılabilir. Kumaşın verdiği toplam cevap bu iki cevabın bir kombinasyonudur. Mermi hızı düşük olduğunda darbeden dolayı oluşan enine dalgalar kumaşın içerisinde yayılacak kadar zaman bulur böylece daha fazla kinetik enerji sönümlenebilir [23]. Düşük hızlarda enerji emilimi için ana mekanizma

(26)

iplik çekilmesidir. Bazhenov yapmış olduğu çalışmada, iplik çekilmesinin enerji emilimine önemli oranda etkisi olduğu sonucuna varmıştır [24].

Tehdit hızı yükseldikçe kumaşın verdiği cevap gecikir ve merminin çarptığı lokal bölgede iplik kesilmesine bağlı olarak hasar meydana gelir. Carr, yapmış olduğu çalışmada yüksek hızlı çarpmalarda iplik hasarının kesilmeye bağlı olduğunu göstermiştir [25].

2.2. Balistik Performansı Belirleyen Başlıca Etmenler

Zırh uygulamalarının balistik performansını belirleyen birçok etmen mevcuttur. Bunların bir kısmı kumaş ile ilgiliyken, diğer bir kısmı ise zırhı delmek için kullanılan tehditler ile ilgilidir. Zırh malzemesi olarak kullanılan kumaşın performansını etkileyen etmenlerden birincil öneme sahip olanlar kumaşı oluşturan ipliğin mekanik özellikleri, sürtünme, dokuma tipi, katman sayısı ve kumaş katmanlarının birleştirilmesinde kullanılan dikiş şeklidir. Kumaşın balistik performansına yönelik çalışmalar yapılırken bu etmenlerin birlikte değerlendirilmesi gerekmektedir. Zırhı delmek için kullanılan tehdidin malzemesi, şekli ve hızı balistik performansa etkisi olan diğer önemli parametrelerdir [23].

2.2.1. İpliğin mekanik özellikleri

Düz dokunmuş kumaşta atkı ve çözgü ipliklerinin kesişim noktalarında doğrusal yoğunluk iki katına çıkmakta böylece uzunlamasına dalganın hızı tek iplikteki yayılma hızından √2 oranında daha yavaştır [23]. “Eş. 2.1” denkleminden görüleceği gibi, ipliğin elastisite modülü yükseldikçe ve yoğunluğu düştükçe iplik üzerindeki dalga hızı artmaktadır. Dalga hızının artması ile birlikte atkı ve çözgü kesişim noktalarında dalga hızla diğer ipliklere aktarılır. Böylece daha fazla iplik devreye girerek daha fazla enerji emebilir.

Balistik kumaş için, kumaşı oluşturan ipliklerin dayanımı, kopma uzaması ve iplik içerisindeki dalga yayılma hızı en önemli özelliklerdir. Balistik uygulamalarda kullanılacak kumaşları oluşturan iplik seçiminde bu faktörlerin kombinasyonu önemli rol oynar. Cunniff bu faktörlerin içerisinde yer aldığı, balistik performans ve iplik özellikleri arasındaki ilişkiyi tanımlayan 𝑈^∗ bağıntısını (Eş. 2.3) geliştirmiştir [26].

(27)

𝑈

^∗

=

^𝜎𝜀

2𝜌

√

^𝐸_𝜌

(2.3)

Çizelge 2.1’de, “Eş.2.3” kullanılarak oluşturulan karşılaştırma tablosu mevcuttur. Söz konusu tablo incelendiğinde karbon fiberin en yüksek elastik modüle sahip olmasına rağmen en düşük 𝑈^∗ değerli fiberlerden biri olduğu görülmektedir. Roylance ve Wang;

naylon, Kevlar 29, Kevlar 49 ve karbon kumaş kullanarak yaptıkları çalışmada, Karbon kumaşın en yüksek modüle sahip olmasına rağmen en düşük % uzama değerine sahip olmasından dolayı aramid esaslı kevlar kumaşlardan daha düşük balistik dayanıma sahip olduğunu göstermişlerdir [27]. Söz konusu bulgu “Eş.2.3” ile elde edilen değerlerin yeterliliğini göstermektedir.

Çizelge 2.1. Fiberlerin mekanik özellikleri [26]

Fiber Tipi

Kopma Gerilmesi

(σ) (GPa)

Kopma Uzaması

(ε) (%)

Elastisite Modülü

(E) (GPa)

Yoğunluk

(ρ) (^𝑘𝑔

𝑚³)

(𝜎𝜀 2𝜌√𝐸

𝜌)¹³

(^𝑚_𝑠)

PBO 5,20 3,10 169 1560 813

Spectra^®1000 2,57 3,50 120 970 801

600 denier Kevlar^® KM2 3,40 3,55 82,6 1440 682

850 denier Kevlar^® KM2 3,34 3,80 73,7 1440 681

840 denier Kevlar^®129 3,24 3,25 99,1 1440 672

1500 denier Kevlar^® 29 2,90 3,38 74,4 1440 625

200 denier Kevlar^® 29 2,97 2,95 91,1 1440 624

1000 denier Kevlar^® 29 2,87 3,25 78,8 1440 621

1140 denier Kevlar^® 29 3,04 1,20 120 1440 612

Karbon fiber 3,80 1,76 227 1800 593

E-Camı 3,50 4,7 74 2550 559

Naylon 0,91 - 9,57 1135 482

(28)

2.2.2. Sürtünme

Balistik darbe anında ortaya çıkan enerjinin emilmesi, zırh sisteminde kullanılan kumaşı oluşturan ipliklerin birbirine sürtünmesi, iplik-mermi sürtünmesi, iplikleri oluşturan fiberlerin birbirine sürtünmesi (van der waals ve hidrojen bağı gibi ikincil kuvvetler) ve fiberlerin kırılma mekanizmaları üzerinden gerçekleşmektedir [24, 28-30]. Literatür incelendiğinde balistik darbe anında ortaya çıkan enerjinin emilmesinde, iplikler arasındaki sürtünmenin optimum değerinin belirlenmesinin önemli bir parametre olduğu görülmektedir. Lee ve arkadaşları aramid kumaşlara silika-polietilen glikol karışımını emdirmişler ve fiberler arasındaki sürtünme artışına bağlı olarak soğurulan enerjinin arttığını tespit etmişlerdir [29]. Briscoe ve Motamedi, iplikler arasındaki sürtünmelerin Kevlar 29 ve Kevlar 49 tipi kumaşlar üzerine etkisini incelemişlerdir [28]. Rao ve arkadaşları iplik malzeme özellikleri ve sürtünmenin düz dokuma kumaş üzerine etkisini sayısal olarak incelemişler ve sürtünmenin, malzeme özelliklerinin ve sınır koşullarının balistik performans üzerine önemli rol oynadığını tespit etmişlerdir [30]. Bazhenov, birkaç kat aramid kumaştan oluşan test numunesi üzerinde balistik darbe sonrası oluşan iplik çekilme bölgesini incelemiştir. Çalışma sırasında iplikler arasındaki sürtünmenin enerji soğurulmasını artırdığını tespit etmiş, iplik çekme testini geliştirmiştir [24].

Sürtünme artışı belirli bir sınır değeri aştığında balistik performansta düşme meydana gelir.

Chu ve arkadaşları Twaron^® ve Dyneema^® iplik özelliklerini kullanarak yapmış oldukları sayısal analizlerde sürtünmenin balistik performansı artırdığını görmüşler ancak statik sürtünme katsayısının 0,8 ve dinamik sürtünme katsayısının 0,75 değerini aştığında birincil ipliklerde daha fazla gerilme konsantrasyonu oluştuğunu ve bunun birincil ipliklerin erken hasara uğramasına sebep olduğunu bildirmişlerdir [31]. Gogineni ve arkadaşları Twaron^® CT709 tipi kumaş mekanik özelliklerini kullanarak yapmış oldukları sayısal analizlerde, en fazla enerji absorpsiyonu sağlanması için optimum sürtünme değerinin 0,3 ile 0,5 arasında olduğu sonucuna varmışlardır [32].

İplikler arasındaki sürtünme, literatürden de görüldüğü gibi balistik darbe enerjisinin absorbe edilmesinde önemli rol oynamaktadır. Bu konuda yapılan çalışmalar göstermiştir ki, kumaştaki atkı ve çözgüleri oluşturan iplikler arasındaki sürtünmenin artırılması ile kumaşın balistik performansının artırılması mümkündür.

(29)

2.2.3. Dokuma tipi

Balistik uygulamalarda genellikle dokuma kumaşlar kullanılır. Kumaşın dokuma türü balistik dayanımı etkileyen önemli faktörlerden biridir. En çok düz, tivil ve saten dokuma türleri kullanılmaktadır. Gevşek ve dengesiz desene sahip kumaşlarda balistik dayanım daha düşüktür [10]. Boyutsal kararlılık bakımından en çok düz dokuma türü tercih edilmektedir [33]. Balistik uygulamalarda düz dokuma türünün çok fazla tercih edilmesinin bir diğer nedeni de, iplikler arasındaki temasın fazla olması, böylece balistik darbe anında daha fazla sürtünme elde edilmesidir.

2.2.4. Katman sayısı

Kumaş kullanılarak üretilen zırh sistemlerinde her kumaş katına katman denecek olursa, katman sayısı arttıkça balistik dayanımda artış meydana gelmektedir. Çok katmanlı sistemlerde balistik enerjinin emilimi, tek katmandan oluşan hedefe göre çok daha yüksektir [34]. Bununla beraber, kumaş katman sayısı ile zırhın enerji emme kapasitesi doğrusal değildir. Gogineni ve arkadaşları, yapmış oldukları çalışmada, zırh sisteminin katman sayısının artması ile kumaşa ait gerinim enerjisindeki artış yüzdesinin azaldığını tespit etmişlerdir (Çizelge 2.2) [32]. Gogineni ve arkadaşlarına göre, zırhın katman sayısı belirli bir değere ulaşıncaya kadar avantajlıdır. Sonraki her katman zırhı kalınlaştırıp ağırlığını artırmasının yanında balistik enerjinin emilmesinde daha az rol oynar.

Çizelge 2.2. Gerinim enerjisindeki artış yüzdesi [32]

Mermi Çarpma Hızı

(m/s) Katman Sayısı Gerinim Enerjisindeki Artış (%)

332

1 -

2 % 124

3 % 100

4 % 33

(30)

2.2.5. Kumaş katmanlarının birleştirme şekli

Yumuşak vücut zırhlarında genellikle kumaş katmanları birbirine dikilmektedir. Karahan ve arkadaşları üç farklı dikiş şekli kullanarak oluşturdukları balistik panellere atış yapmışlar ve Resim 2.1’de gösterilen Type-C dikiş şeklinin diğer dikiş şekillerine göre

%6,7 daha az travma çöküntüsüne sahip olduğunu bildirmişlerdir [35]. Bilişik ve arkadaşları yaptıkları çalışmada, dikişlerin iplik sürtünmelerini artırması nedeniyle balistik enerjinin bir kısmını emdiklerini belirlemişlerdir. Aynı zamanda dikişli balistik panellerin daha az çöküntü derinliğine sahip olduklarını bildirmişlerdir [36].

Resim 2.1. Dikiş tipleri [35]

2.3. Balistik Dayanımın Ölçümü

Balistik dayanımın ölçümü, hazırlanan zırh sisteminin etkinliğinin anlaşılması için gereklidir. Aynı zamanda yapılan ölçümlerde elde edilen değerlerin kabul edilmiş standartlara uygunluğuna da bakılmaktadır. Testlerde mermi hızı ölçümü kronograflarla sağlanmaktadır. Mermi hızı, kronograflar aras ındaki mesafenin merminin iki kronograf arasından geçerken geçen zamana bölünmesi suretiyle elde edilir (Şekil 2.3).

Vücut zırhlarının testlerinde kullanılan yöntemler delinme testi, V50 testi ve delinmeme testidir. Delinme testinde, merminin zırhı delme sonrasındaki hızına bakılır ve ilk hız ve son hız kullanılarak kinetik enerji kaybı ortaya çıkarılır. V50 testinde belirli sayıdaki atış için zırhı delen en düşük hıza sahip iki atış ile zırhı delmeyen en yüksek hıza sahip iki atışın ortalaması alınır. Elde edilen hız değeri %50 ihtimalle zırhın delinmeyeceği hızı tanımlar. Delinmeme testinde, standartlarda belirtilen değerlerdeki hıza sahip mermilerin

Tip-A Tip-B Tip-C

(31)

zırhta delinmeye yol açmaması esastır. Delinme gerçekleşirse zırh başarısız sayılır. Bu testte balistik performansın ölçülmesinde sadece zırhın delinmemesi yetmemekte aynı zamanda zırh arkasında oluşan deformasyon miktarının da belirli bir limiti aşmaması gerekmektedir. Bu limit zırh plakasının arkasında insan vücudunu temsil eden plastilin malzemesinin üzerindeki deformasyon miktarı ölçülerek elde edilir (Şekil 2.4).

Şekil 2.3. Mermi hızı ölçümü düzeneği [37]

Delinmeme testinin uygulanmasında en çok kullanılan standart Amerikan Ulusal Hukuk Enstitüsü (NIJ) standardıdır [37]. Bu standarda göre, insan vücudunu etkileyen mermi türü tehditler yedi sınıfa ayrılmıştır (Çizelge 2.3). Tehditlerin sahip olması gereken hızlar da belirlenmiştir. Bu hızın altındaki veya üstündeki hıza sahip atışlar geçersiz sayılmaktadır.

Atışlar sonrasında plastilin üzerinden alınan çöküntü derinliği 44 mm’yi geçmemelidir. Bu doktora tez çalışmasında hazırlanan balistik test plakalarının performans ölçümü Çizelge 2.3’te gösterilen 3A seviyesi kullanılarak bu standarda göre yapılmıştır.

(32)

Şekil 2.4. Çöküntü derinliği [11]

Çizelge 2.3. Tehdit seviyesi tablosu [37]

Seviye Mermi Kalibresi

Mermi Ağırlığı

(g)

Atış Mesafesi

(m)

Atış Hızı (m/s) İzin Verilen Çöküntü Miktarı (mm)

2A

9 mm FMJ

RN 8 5 341±9 44

.40 S&W

FMJ 11,7 5 322±9 44

2

9 mm FMJ

RN 8 5 367±9 44

.357 Magnum

JSP

10,2 5 436±9 44

3A

9 mm FMJ

RN 8 5 436±9 44

.44 Magnum

SJHP

15,6 5 436±9 44

3 7,62 mm

Nato Ball 9,6 15 847±9 44

4 .30 kalibre

M2 AP 10,8 15 878±9 44

2.4. Balistik Mukavemetin Araştırılması

Merminin kumaşa çarpması, anlık gerçekleşen bir olaydır. Bu nedenle çoğu statik ve dinamik probleme göre çok karmaşıktır. Bu karmaşık problemin anlaşılması için genel

(33)

olarak üç farklı yöntem izlenir: deneysel, analitik ve sayısal. Bu üç yöntem balistik darbeye maruz kalan malzemelerin nasıl davranış göstereceği ve balistik darbe anındaki olayların daha iyi anlaşılabilmesi için tek başlarına kullanılacağı gibi, beraber de kullanılabilir.

2.4.1. Deneysel yöntem

Deneysel yöntemler, balistik çarpma anı ve sonrasında çeşitli test cihazları ile verilerin toplanması ve bu verilerin analiz edilmesi şeklindedir. En çok uygulanan deneysel yöntem, çarpma anına ilişkin mermi hızı ve enerjisinin tespit edilmesi ile çarpma sonrası oluşan deformasyon miktarının ve gerekliyse mermi çıkış hızının ölçülmesi ve numunelerin bu veriler kullanılarak birbirleri ile ve standartlarla kıyaslanmalarıdır. Bu kapsamda balistik performansın ölçümü maksadıyla birçok balistik testin yapıldığı önceki çalışmalardan anlaşılmaktadır [10, 38-42].

Deneysel olarak sadece çarpma anına ilişkin veriler toplanmaz. Kumaşın veya kumaşı oluşturan ipliklerin mekanik özellikleri, balistik mukavemet hesaplamalarında en önemli parametrelerdir. Bu parametrelerin ortaya çıkarılması için iplik kopma testleri, sürtünme değerlerinin belirlenmesi için iplik sürtünme testleri, Split-Hopkinson ve darbe testleri en çok kullanılan yöntemlerdir [20, 43-45]. Balistik darbe sonrası kumaşın morfolojisi fotoğrafik yöntemlerle incelenebilir. Bunun için taramalı elektron mikroskobu en çok kullanılan yöntemdir [46-48].

Zırh malzemelerinin balistik davranışlarının anlaşılabilmesi için şimdiye kadar birçok deneysel çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar zırh sistemleri hakkında çok değerli bilgiler sağlar. Ancak deneysel yöntemler pahalı ve zaman alıcıdır, aynı zamanda test edilen malzemeleri hasarlandırdığından oldukça fazla malzeme kullanılmak zorundadır.

2.4.2. Analitik yöntem

Analitik yöntemler, enerjinin ve momentumun korunumu gibi genel mekanik denklemlerine dayanır. Analitik yöntemin sonuçları genellikle deneysel verilerle doğrulanır. Deneysel çalışmalara göre daha az malzeme ve zaman harcanır. Birçok araştırmacı bu yöntemi kullanarak balistik darbe sonrasında kumaş üzerindeki hasara yönelik çalışmalar yapmışlardır [20, 48, 49].

(34)

Balistik olay karmaşıklaştıkça ve daha fazla parametre devreye girdikçe kullanılan denklemler giderek karmaşık bir hal alır. Bu nedenle bazı parametreler ihmal edilir. İhmal edilen parametrelerden birisi de genellikle iplikler arası sürtünmedir. Ancak iplikler arası sürtünmenin balistik enerji emiliminde ana mekanizmalardan biri olduğu hem literatürden [22] hem de bu tez çalışmasından bilinmektedir.

2.4.3. Sayısal yöntem

Bilgisayarların gelişimi ve işlemci kapasitelerinin artması ile birlikte bilgisayar tabanlı analiz programları da gelişmişlerdir. Balistik çarpma ile ilgili deneysel çalışmaların zaman alıcı olması ve yüksek maliyetler içermesinden dolayı, söz konusu dinamik problemlerin çözümü için analiz programları daha fazla araştırmacı tarafından kullanılmaya başlanmıştır. Merminin zırha çarpması gibi analizler için çok sık kullanılan ANSYS, ABAQUS, LS-DYNA gibi analiz programları sonlu elemanlar yöntemini kullanarak çözüm üretirler. Sonlu elemanlar, çarpışmaya konu olan mermi ve zırhın kübik veya tetrahedral şeklindeki çok küçük elemanlara bölünmesi ve bu elemanlar için tek tek yer değiştirme, gerilme ve deformasyonun hesaplanmasıdır.

Sayısal yöntem kullanılırken özellikle kumaşın modellenme yöntemi, elde edilecek sonuçlar üzerinde oldukça etkilidir. Hesaplama maliyetlerinden dolayı (zaman ve donanım özellikleri) balistik kumaş iplikleri ilk önce birbirine bağlanarak kumaş örgüsü oluşturan çubuklar kullanılarak modellenmişlerdir. Çubukların birbirlerine bağlandığı noktalar eklem noktaları olup bu noktalar nodal kütlelerdir. Bu model ilk defa Roylance ve Wang tarafından kullanılmıştır [50]. Billon ve Robinson kullandıkları çubuk bağlı modeli kullanarak yine kendi geliştirdikleri analitik modeli karşılaştırmışlar ve her iki modelin kumaşa ait balistik performansın ölçümünde etkili olduğunu söylemişlerdir [51]. Zeng ve arkadaşları, zırh kumaşına uygulanan sınır koşullarının balistik performansa etkisini çubuk bağlı model kullanarak araştırmışlardır [52].

Bu model kullanılarak tek katmanlı kumaş modeli analiz edilebilirken, çok katmandan oluşan zırh için kumaş katmanları arasındaki ve kumaşı oluşturan iplikler arası sürtünmeler ihmal edilmek zorundadır. Aynı zamanda iplikler çubuk şeklinde modellendiğinden ipliğe ait geometri bu modele tanımlanamamaktadır. Bu mahsurların ortadan kaldırılabilmesi için

(35)

ipliğin kesit geometrisinin ve takip ettiği sinüzoidal rotanın modellendiği üç boyutlu sürekli modeller geliştirilmiştir (Şekil 2.5).

Şekil 2.5. Üç boyutlu sürekli model [53]

Geliştirilen bu üç boyutlu sürekli model sayesinde iplikler ve katmanlar arası etkileşim incelenebilir. Shockey ve arkadaşları çalışmalarında üç boyutlu sürekli iplik modeli oluşturmuşlar ve bu iplikleri kullanarak kumaş elde etmişlerdir. Hazırladıkları modelle, modeldeki eleman sayısının artırılmasıyla hesaplama süresinin arttığını ve modelin kararsız hale geldiğini görmüşlerdir [34, 54-57]. Duan ve arkadaşları tek katmandan oluşan kumaşın balistik performansına iplikler arası sürtünmenin etkisini incelemişlerdir [22, 53, 58]. Üç boyutlu sürekli modelde eleman sayısının veya kumaş katman sayısının artması ile kararsızlık ve hesaplama maliyetleri artmaktadır. Bu nedenle üç boyutlu katı elemanlar yerine iki boyutlu kabuk elemanlar kullanılmaya başlanmıştır. İki boyutlu kabuk elemanlar kullanılarak ipliğin kalınlığı ihmal edilmektedir. Bunun nedeni iplik kalınlığının çok az olmasıdır. Bu yaklaşım sayesinde hesaplama için kullanılması gereken eleman sayısı azalmakta böylece hesaplama maliyetleri oldukça düşmektedir [59]. Çok katmanlı zırh sisteminde hesaplama maliyetini düşürmek için uygulanan bir diğer yöntem hibrit eleman kullanmaktır. Kumaşın farklı bölgelerindeki iplikler farklı deformasyon özellikleri gösterirler. Merminin çarptığı birincil bölgede iplikler gerilmeye ve uzamaya zorlanırken, ikincil bölgeler daha az deforme olmaktadırlar. Bu nedenle Barauskas ve arkadaşları çalışmalarında kumaşı üç farklı bölgeye ayırmışlardır. İlk iki bölgede ipliği kabuk elemanlarla modellerken, üçüncü bölgede kumaşı membran olarak modellemişlerdir [60].

Nilakantan ve arkadaşları yaptıkları çalışmada kumaşı iki bölgeye ayırmışlar birincil

(36)

bölgede kalan kısmı üç boyutlu sürekli model ile mermi etkileşiminin olmadığı ikincil bölgeyi ise kabuk elemanlar ile modellemişlerdir [61].

Sonuç olarak, modelleme çalışmaları, katman sayısının artması ile hesaplama maliyetlerinde artış meydana geldiğini göstermiştir. Hesaplama maliyetlerini azaltmak için yapılan basitleştirmeler ile hesaplama maliyeti arasında denge kurulması, sayısal yöntemin doğruluğu açısından önemlidir.

2.5. İplikler Arası Sürtünme Katsayısının Belirlenmesi

İplikler arası sürtünme artışının, zırhın balistik performansını artırdığı önceki kısımlarda detaylı anlatılmıştır. İplikler arası sürtünme değerinin ölçümü genellikle bu maksatla geliştirilmiş test cihazları ile yapılmaktadır. Bu cihazlar “İplikler Arası Sürtünme Katsayısı İçin Standart Test Metodu” isimli standarda [62] uygun olarak tasarlanmış cihazlardır.

Literatür incelendiğinde araştırmacıların çekme cihazları ile kullanabilecekleri ve çekme kuvveti-yer değiştirme değerlerini elde edebilecekleri aparatlar geliştirdikleri görülmektedir [63-65]. Rao ve arkadaşları, [30] iplikler arasındaki statik ve dinamik sürtünme katsayılarını belirleyebilecekleri bir aparatı çalışmalarında kullanmışlardır (Resim 2.2). Bu aparat üzerinde bulunan yay mekanizması sayesinde kumaşa yanal ve değeri belirli bir ön yükleme kuvveti uygulamışlardır. İplik çekme işlemi sonrasında elde ettikleri çekme kuvveti-yer değiştirme grafiğinde pik noktasına karşılık gelen kuvvet ve grafiğin düz bir plato haline geldiği bölgedeki ortalama kuvvet değerini ön yükleme kuvvetine bölerek statik ve dinamik sürtünme katsayılarını belirlemişlerdir ( Şekil 2.6).

Resim 2.2. İplik çekme aparatı [30]

İplik tutucu çene

Çerçeve

(37)

Şekil 2.6. Çekme kuvveti-yer değiştirme grafiği [30]

Chu ve arkadaşları “İplikler Arası Sürtünme Katsayısı İçin Standart Test Metodu” isimli standarda [62] tarif edilen Capstan Metodunu kullanmışlar ve dinamik ve statik sürtünme katsayılarını, testler sonucunda elde ettikleri çekme kuvveti-yer değiştirme grafiğinden faydalanarak bulmuşlardır [66].

2.6. İplikler Arası Sürtünmenin Artırılması Çalışmaları

İplikler arası sürtünmenin tehdidin kinetik enerjisini emmede ana faktörlerden biri olduğu daha önce belirtilmiştir. Kumaşı oluşturan ipliklerde sürtünmenin belirlenmesi için genellikle iplik çekme testleri yapılır. Araştırmacılar iplikler arası sürtünmenin etkisini iplik çekme testiyle ve iplikler arası sürtünme değerini de Capstan Metodunu kullanarak hesaplamışlardır [36, 62, 67].

Birçok araştırmacı sürtünmeyi artırarak zırhın performansını artırmayı denemişlerdir [28, 68, 69]. Zhou ve arkadaşları iplikler arası sürtünmeyi artırmak için kumaş örgüsü içerisinde yapısal değişiklikler yapmışlar ve gerçekleştirdikleri iplik çekme testleri ile iplikler arası sürtünme artışını tespit etmişlerdir [68]. Ancak kontrol numunesi ile karşılaştırıldığında bu sürtünme artışı özellikle aramid kumaş için kayda değer bulunmamıştır.

Çekme kuvveti, (N)

Statik kuvvet Dinamik kuvvet

Yer değiştirme (mm)

(38)

Ahmad ve arkadaşları iplikler arası sürtünmeyi artırmak için balistik kumaşı doğal kauçukla kaplayarak test numuneleri hazırlamışlardır (Şekil 2.7). Test numuneleri ile yaptıkları balistik testlerde, kontrol numunelerinin deformasyonu, müsaade edilen çöküntü derinliğini aştığını, kaplanmış kumaşlar kullanılarak oluşturulan numunelerin ise çöküntü derinliklerinin azaldığı görülmektedir (Çizelge 2.4) [70]. Ahmad ve arkadaşları bunun nedeninin kauçuk kaplamanın atkı ve çözgü ipliklerinin hareketlerini kısıtlamasından dolayı olabileceğini değerlendirmişlerdir.

Şekil 2.7. Test konfigürasyonları [70]

Çizelge 2.4. Balistik test sonuçları [70]

Numune Özelliği Katman Sayısı

Çarpma Hızı (m/s) Çöküntü Derinliği (mm) Atış 1 Atış 2 Atış 3 Atış 1 Atış 2 Atış 3

A Kontrol numunesi 18 359 361 361 43 39 46

B Kontrol numunesi 21 360 357 362 39 46 42

C

Konfigürasyon 1 18 367 360 361 28 28 29

D 21 379 362 360 30 29 30

E Konfigürasyon 2 18 359 358 353 25 31 26

F 21 365 358 362 32 32 30

G

Konfigürasyon 3 18 364 362 362 27 30 25

H 21 363 354 358 26 28 28

Son yıllarda sıvı zırh olarak adlandırılan ve temelde balistik kumaşın içerisine koloidal silika-poli(etilen glikol) (PEG) karışımının emdirilmesi ile elde edilen zırh sisteminin birçok araştırmacı tarafından çalışıldığı görülmektedir. Kumaşa emdirilen silika-PEG karışımı dilatant özellik göstermektedir. Bir sıvının dilatant özellikte olması, sıvıya

(39)

uygulanan gerilme ve kayma hızının artması ile viskozitenin artması bir başka deyişle sıvının Newtonyan olmayan kayma kalınlaşması türü akış özelliği göstermesi şeklinde açıklanabilir [71-73]. Böylece darbe anında ani viskozite artışı ile iplikler arası sürtünmenin artacağı varsayılmaktadır. Silika -PEG karışımından oluşan dilatant süspansiyon içeren sıvı zırh uygulamaları aynı zamanda çöküntü miktarının düşmesine de neden olmaktadırlar. Bunun sebebinin söz konusu dilatant süspansiyonun yukarıda da bahsedildiği gibi iplikler arasında, iplikleri oluşturan fiberler arasında ve iplik-tehdit (mermi, şarapnel vb.) arasındaki sürtünmeyi artırarak, balistik darbe sonucu oluşan enerjiyi soğurması böylece ipliklerin tehdidin çarpma eksenine paralel yönde daha az hareket ederek oluşan çöküntü miktarının azalması olarak değerlendirilmektedir [16, 23]. Lee ve arkadaşları aramid kumaşlara silika-PEG karışımını emdirmişler ve fiberler arasındaki sürtünme artışına bağlı olarak soğurulan enerjinin arttığını tespit etmişlerdir [16].

Bazhenov birkaç kat aramid kumaştan oluşan test numunesi üzerinde balistik darbe sonrası oluşan elyaf çekilme bölgesini incelemiştir [24]. Çalışma sırasında fiber demetleri arasındaki sürtünmenin enerji soğurulmasını artırdığını tespit etmiş, elyaf çekilme testini geliştirmiştir. Süngüleme testleri ise iki kısımda ele alınmaktadır. Keskin olmayan ancak sivri uçlu cisimler için delme, süngü-bıçak benzeri cisimler için kesme mekanizmaları incelenmiştir. Katı tanecik ve taşıyıcı sıvıdan oluşan dilatant özellik gösteren suspansiyonlarla hazırlanmış sistemlerin delinme ve kesilmeye karşı daha başarılı oldukları literatürden anlaşılmaktadır [74-76]. Sıvı zırh uygulamaları incelendiğinde kullanılacak taneciğin tipi, boyutları, sertliği, suspansiyon içerisindeki oranı ve seçilen taşıyıcı sıvının türü önem taşımaktadır. Rosen ve arkadaşları sıvı zırh uygulamalarında kullanılan tanecik şeklinin, balistik performansa olan etkisini balistik darbe ve süngüleme testleri yaparak incelemişler, kaolin esaslı düz tanecikler içeren sistemin, küresel silika tanecikleri içeren sistem kadar iyi olduğunu ortaya koymuşlardır [77]. Kalman ve arkadaşları sıvı zırh uygulamalarında kullanılan taneciklerin sertliğinin artması ile balistik performansın yükseldiğini göstermişlerdir [78, 79]. Bok Won Lee ve arkadaşları farklı boyutlara sahip silika taneciklerinin zırhın dayanımına etkisini incelemişler, tanecik boyutu düştükçe performansın arttığını tespit etmişlerdir [63]. Zırh uygulamalarında kullanılan suspansiyon içerisinde katı taneciklerin düzgün dağılımı önemlidir. Hassan ve arkadaşları 15 nm boyutundaki silika taneciklerinin suspansiyon içerisinde düzgün dağılmasını sağlamak için ultrasonik karıştırıcı kullanmışlardır [80]. Tan ve arkadaşları sıvı zırh uygulamalarında silika tanecikleri ile birlikte kullanılan taşıyıcı sıvı polietilen glikol yerine su kullanarak

(40)

balistik performans değişimini incelemişler, kuru aramid numunelere göre, balistik performansın arttığını göstermişlerdir [81].

Chu ve arkadaşları [82], sürtünmeyi artırmak için hazırladıkları nano ve mikro boyutlu iki farklı tipte TiO2/ZnO hidrosolle sol-jel yöntemini kullanarak aramid iplikleri kaplamışlar, mikro boyutta TiO2/ZnO kaplanmış ipliklerdeki sürtünme artışının %54 olduğunu, nano boyutta TiO2/ZnO kaplanmış ipliklerdeki sürtünme artışının %10 olduğunu rapor etmişlerdir. Yapılan çalışmanın aramid iplik mukavemetine ve ağırlığına önemli bir etkisi olmadığını tespit emişlerdir. Yine Chu ve arkadaşları [66], atmosferik basınçlı kimyasal buhar biriktirme (APCVD) yöntemini kullanarak aramid iplikler üzerine diklorodimetilsilan kaplamışlar, iplikler arası sürtünme değerinin arttığını ve ipliğe ait dayanım ve elastisite modülü değerlerinin olumlu yönde etkilendiğini rapor etmişlerdir.

2.7. Aramid İplik

Aramid fiberler, bir başka deyişle aromatik polyamidler 1960’lı yıllarda DuPont firması tarafından geliştirilmiş, uzun polimer zincirlerinden oluşan sentetik fiberlerdir (Şekil 2.8).

Bu uzun polimer zincirleri birbirlerine kuvvetli hidrojen bağları ile bağlanırlar. Bu fiberler çok yüksek erime noktası, ısıl dayanım, yüksek kopma mukavemetine ve yüksek tokluğa sahiptirler [83]. Havacılıktan, otomotive ve savunma sanayine kadar birçok alanda özellikle askeri maksatlı koruyucu zırhlarda oldukça yaygın olarak kullanılırlar. Aramid fiberler yanmaz veya erimez ancak 450^oC üzerinde bozunmaya başlarlar [84]. Bu özelliği nedeniyle yangına karşı koruma sağlayan kumaş üretiminde bu fiberlerden faydalanılır.

Dünyada en yaygın olarak kullanılan aramid markaları Kevlar (DuPont) ve Twaron (Teijin) olarak adlandırılan aramidlerdir. Çizelge 2.5’de aramid fiberlerin bazı tipleri ve teknik özellikleri örnek olması bakımından verilmiştir.

Şekil 2.8. Aramid fibere ait polimer zinciri [85]