Enhancement of ballistic properties by hybridization method of multi-layered composite panels

Abstract

High performance fiber reinforced composite structures are used for ballistic applications in recent years due to several advantages lightweight, high strength and high energy absorbing capability. In this regard, it is aimed to enhance ballistic performance of fiber reinforced composites by hybridization method in this thesis. Two of most used fiber types were selected as reinforcement which are E-Glass and Aramid fibers. As matrix epoxy resin was used. Homogeneous and hybrid structures were manufactured. In hybrid structures configuration was arranged as E-Glass layers are at the front and Aramid layers are at the back. Two different hybrid composites were manufactured with 50:50 and 70:30 Aramid and E-Glass layers. The effect of volume fraction of fabric layers on ballistic properties was investigated. Since there is a linear relationship between V50 and thickness, composite structures were manufactured with two different thicknesses and by the equation derived V50 values for different thicknesses could be determined. Mechanical and ballistic tests were carried out in the study. Tensile, 3-Point bending and short beam strength tests were applied as mechanical tests and a V50 test was carried out as ballistic test. Composite structures were compared with each other based on test results. Consequently, it was found that hybridization method increased mechanical and ballistic properties. Mass efficiency of hybrid structures were found to be higher than 1 (E-Glass composite was used as reference). It was also found that presence of E-Glass layers assists aramid structures to experience more delamination during impact and therefore increased energy absorbing capability.

Fiber katkılı polimerik kompozit malzmeler balistik uygulamalarda düşük özkütle, yüksek mukavemet ve enerji sönümleme kabiliyeti gibi avantajlarından dolayı gün geçtikçe daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu bağlamda, çalışmada fiber katkılı çok katmanlı kompozit malzemelerin hibritleme yöntemi ile balistik özelliklerinin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Çalışmada, sıklıkla kullanılan fiber tiplerinden olan E-Cam ve aramid fiber tipleri kullanılmış olup reçine malzemesi olarak epoksi reçine sistemi tercih edilmiştir. Homojen ve hibrit fiber katkılı kompozit plakalar üretilmiş olup hibrit kompozit plakalarda konfigürasyon E-Cam fiber katmanı önde aramid fiber katmanı arkada olacak şekilde üretim gerçekleştirilmiştir. Aramid ve E-Cam fiber katmanların birbiri içinde hacimsel oranları 50:50 ve 70:30 olacak şekilde iki farklı tip hibrit kompozit plaka üretilmiştir. Bu sayede farklı fiber tiplerinin birbiri içinde hacimsel oranının balistik özelliklere etkisi de araştırılmıştır. Her kompozit plakadan iki farklı kalınlıkta üretim yapılmış ve test edilmiştir. Kompozit plakalara mekanik ve balistik testler uygulanmış olup uygulanan mekanik ve balistik testler sırası ile çekme, üç nokta eğme ve kısa kiriş dayanımı ve V50 testleri şeklindedir. Test sonuçlarına göre homojen ve hibrit kompozitler arasında karşılaştırma yapılmıştır. Sonuç olarak hibridizasyonun mekanik ve balistik özelliklerin artışında önemli rol oynadığı görülmüştür. E-Cam fiber katkılı kompozit plaka referans alınarak yapılan kütlesel verimlilik hesaplarında hibrit kompozitlerin 1'den büyük verimliliğe sahip olduğu görülmüş olup bu durum aynı seviye tehdide karşı daha düşük alansal ağırlık ile koruma sağlayabildiğini göstermektedir. Delaminasyon alanları incelendiğinde E-Cam katmanların aramid fiber katmanlarına delaminasyon ve enerji sönümleme için zaman kazandırdığı görülmüştür.