lövedékálló védőmellény Archívum - SECURINFO.hu

Lövedékálló védőmellény megfelelőségének elemzése lenyomatmélységek (traumahatás) alapján

Nincs hozzászólás

Lövedékálló védőmellény megfelelőségének elemzése lenyomatmélységek (traumahatás) alapján

A lövedékálló védőmellények beszerzésekor ki kell választani az ajánlatokból a lehető legnagyobb biztonságot és megbízhatóságot kínáló védőeszközt.

A megbízhatóság fogalma alatt a lövedékálló védőmellénynek azt a tulajdonságát kell érteni, hogy az a szállítási szerződésben meghatározott ideig megtartja védőképességét és választott funkcióit, természetesen szakszerű használat és karbantartás mellett. Az eligazodást segíthetik (segítik) a rendelkezésre álló, megfelelően értékelhető szabványok, rendeletek.

A szabványokra vonatkozóan azonban szükséges megemlíteni, hogy a piaci igényeknek való megfelelésre és a hatékonyságra való tekintettel javasolt az összes szabványt 10 éves korszerűsítési ciklusba sorolni [1]. A rendeletek esetén, mint például azEurópai Parlament és a Tanács 1214/2011/EU (2011. november 16.) számú rendelet 17. cikkében, nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy ott csak a védelmi szintet jelölik (NIJ IIIA).A szükséges tartalom a védelmi szint meghatározásához ebben a szabványban szerepel: NIJ Standard-0101.06. IIIA)Azonban a rendeletben megadott tartalom kifogásolható, mivel a NIJ Standard-0101.06 nem egyenlő például a NIJ Standard időben előbb megjelent szabványainak [2., 3., 4., 5.]. követelményeivel.

A védelmi szint megállapítása

A ballisztikus hatásokat gátló testpáncélok védelmi szintjének megállapításakor – többek között – szabványokban meghatározottak szerint mérik a vizsgált védőeszköz test felőli oldalán a lövedék becsapódásának hatására a háttéranyagban (plasztilin) létrejött maradandó alakváltozás legnagyobb mélységét az eredeti felszíntől kiindulva.
A NIJ Standard-0101.06 szerint a testpáncélok megfelelőségének követelményei közé tartozik, hogy

  • 12 darab komplett védőeszközön, szabályos találatok által létrehozott lenyomatmélységeket (Backface Signature, BFS) elemezni, továbbá 12 darab komplett védőeszköz ballisztikai limit sebesség (BL) értékeit meghatározni,
  • az összes szabályos találat által létrehozott lenyomatmélységnek (BFS) 44 mm-nek vagy ennél kisebb értékűnek kell lennie,
  • abban az esetben, ha a vizsgálat során, bizonyos számú lenyomatmélység (traumahatás) nagyobb 44 mm-nél, akkor 95 százalékos valószínűséggel az összes lenyomatmélység 80 százalékának 44 mm-nek vagy ennél kisebb értékűnek kell lennie, ekkor a megfelelőség feltétele, matematikai statisztikában használt módszerrel kiszámítani a középértéktől eltérés felső határát,
  • mért lenyomatmélység az 50 mm-t nem haladhatja meg.

A háttéranyagban létrejövő lenyomatmélységek – ezek modellezik a traumahatást – elemzésével lehet megítélni azt, hogy az adott testpáncél milyen mértékben képes védelmet biztosítani a tompított sérüléssel (blunt trauma) szemben.

A cikk célkitűzése bemutatni a NIJ Standard-0101.06 szerinti megfelelőség, matematikai statisztikában használt módszerével történő elemzését, a középértéktől eltérés határának számításával.

A középértéktől eltérés felső határa (Upper tolerance limit)

A testpáncél lövedékállósági vizsgálata során ezt a jellemzőt akkor kell kiszámolni, ha bármelyik lenyomatmélység (traumahatás) meghaladta a 44 mm nagyságot, de nem haladta meg az 50 mm-t, egy statisztikai sokaságból, véletlenszerűen kiválasztott, meghatározott számú védőeszközön, a mintán.

Yu = Ῡ + k1 • s

ahol

Az adott elemszámú minta átlaga (Average of all BFS)

Meghatározható a vizsgálólövedékek becsapódásainak hatásaira, például a megjelölt szabvány szerint, 8 darab szárazon kondicionált és 4 darab nedvesen kondicionált állapotú lövedékálló védőbetétek háttéranyagaiban létrejött maradandó alakváltozások, legnagyobb mélységei alapján. Az adatokra alapozott elemzés során a bizonytalanság csökkenthető, ha a minták száma nő.

Lövedékálló védőmellény megfelelőségének elemzése lenyomatmélységek (traumahatás) alapján

ahol

Yi = vizsgálólövedékek becsapódásainak hatásaira a háttéranyagban létrejött maradandó alakváltozások legnagyobb mélységei (BFS), a kijelölt felszíntől mérve
N = szabályos találatok száma

A közelítő tényező (Approximate factor)

Lövedékálló védőmellény megfelelőségének elemzése lenyomatmélységek (traumahatás) alapján

ahol

A z1–p normál eloszlás (normális eloszlású változó kritikus értéke) nagyobb az 1–p valószínűségével.

Lövedékálló védőmellény megfelelőségének elemzése lenyomatmélységek (traumahatás) alapján Lövedékálló védőmellény megfelelőségének elemzése lenyomatmélységek (traumahatás) alapján

A Z1–γ normál eloszlás (normális eloszlású változó kritikus értéke) nagyobb az 1–γ valószínűségével.

A szabványnak [3] megfelelően elemezve a BFS mérések eredményeit, a lenyomatmélységek legalább 80 százaléka (p = 0,80), 95 százalékos valószínűség (γ = 0,95) mellett, nem lehet 44 mm-nél nagyobb. A normál eloszlás kritikus értékei meghatározhatók számítással vagy kikereshetők táblázatokból

Ha:

Z1–γ = Z0,05 = 1,645
Z1–p = Z0,20 = 0,842 és az
N = 12

Akkor:

Lövedékálló védőmellény megfelelőségének elemzése lenyomatmélységek (traumahatás) alapján

 

 

 

 

Így:

Lövedékálló védőmellény megfelelőségének elemzése lenyomatmélységek (traumahatás) alapján

 

A szórás (Standard deviation)

A szórás azt méri, hogy az értékek a várható értéktől (középértéktől) milyen mértékben térnek el.

Lövedékálló védőmellény megfelelőségének elemzése lenyomatmélységek (traumahatás) alapján

Lövedékálló védőmellény megfelelőségének elemzése lenyomatmélységek (traumahatás) alapján
k1 érték az összes lenyomatmélység 80 százalékán, 95 százalékos valószínűség mellett

 

Lövedékálló védőmellény megfelelőségének elemzése lenyomatmélységek (traumahatás) alapján

Lövedékálló védőbetét test felőli oldalán, utolsó rétegként elhelyezett, traumahatást jelző lexan (0,3 mm vastag) lemezre fröccsent plasztilin darabok, 5,0 m vizsgálati távolságból leadott, .44 Magnum SWC vizsgálólövedék hatására (dombmagasság 20 mm) (Frank György felvétele)

Összefoglalás

  • A megengedett legnagyobb lenyomatmélységeknek (BFS) – amelyek a vizsgált lövedékálló betét test felőli oldalán, a vizsgáló lövedékek becsapódásainak hatásaira, a háttéranyagban (plasztilin) jönnek létre – 44 mm-nek vagy ennél kisebb értékűnek kell lennie.
  • Abban az esetben, ha a vizsgálat során, bizonyos számú lenyomatmélység (traumahatás) nagyobb 44 mm-nél, akkor 95 százalékos valószínűséggel, az összes lenyomatmélység 80 százalékának 44 mm-nek vagy ennél kisebb értékűnek kell lennie. Ekkor a megfelelőség feltételét úgy kapjuk meg, hogy a matematikai statisztikában használt módszerrel ellenőrizzük a következő összefüggést:

Átlag BFS + 1,568 • k1 ≤ 44 mm

  • A megbízhatósági együttható (k1) értékének növekedésével (szabályos találatok számának csökkenésekor) a testpáncél megbízhatósága csökken.

 Eur. Ing. Frank György, címzetes docens, az SzVMSzK Szakmai Kollégium elnöke, SzVMSzK mérnökszakértő (B5)

Felhasznált irodalom

  • Szabványügyi Közlöny 1. szám, 2010. január, 42.
  • Michael A. Riley: Revisions to the NIJ Ballistic Resistant Body Armor Test Standard. Office of Law Enforcement Standards National Institute of Standards and Technology. Gaithersburg, Maryland. 8 May 2008
  • NIJ Standard–0101.06 Ballistic Resistance of Body Armor Office of Law Enforcement Standards National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD 20899–8102. July 2008
  • NIJ Standard–0101.03 Ballistic Resistance of Body Armor Office of Law Enforcement Standards National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD 20899–8102. April 1987
  • NIJ Standard–0101.02 Ballistic Resistance of Body Armor Office of Law Enforcement Standards National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD 20899–8102. March 1985
A lövedékálló védőmellény rétegeinek elemzése

Nincs hozzászólás

A lövedékálló védőmellény rétegeinek elemzése

A lövedékálló védőmellénynek a ballisztikai kerámia és a traumát mérsékelő rétegeinek elemzése.

 A műszaki kerámiákat nagy tisztaságú alkotókból állítják elő, jellemzőik közül kiemelhető

  • ridegségük,
  • az instabil repedésterjedést előidéző kritikus hibanagyság még a mikro szerkezetet jellemző szemcsék nagyságrendjébe esik,
  • a törést nagyon kicsi vagy semmi maradó alakváltozás sem előzi meg.

 

Ezért a műszaki kerámiák gyártását, ellenőrzését szigorú feltételek mellett kell végezni. Átgondolva a lövedékálló védőmellényekben alkalmazott ballisztikai kerámiákkal

  • Al2O3 alumínium-oxid,
  • B4C bór-karbid,
  • SiC szilícium-karbid

szemben támasztható kulcstulajdonságokat, elmondható, hogy a megfelelőség megfogalmazásához több anyagtani paraméter (kulcstulajdonság) ismerete szükséges, a felhasználók biztonságának szavatolása céljából. Ki kell emelni, hogy a kulcstulajdonságok olyan mérhető és/vagy számítható adatok, paraméterek, amelyek alapvető szerepet játszanak egy adott kiegészítő védőbetét védőképességének megítéléséhez. A kulcstulajdonságokat mértékeik jellemzik, és ezek vannak közvetlen kapcsolatban a szakemberek által befolyásolható paraméterekkel. A kulcstulajdonságok megadása nem tekinthető rendkívüli követelménynek, hiszen a műszaki kerámiákat felhasználóknál ez természetes igény és egyben gyakorlat is. Márpedig a ballisztikai kerámia a műszaki kerámiáknak egyik alcsoportjába, a funkcionális kerámiák közé sorolható.

Kulcstulajdonság

A ballisztikai kerámiát tartalmazó kiegészítő védőbetétek meghatározásához a megfelelési követelmény (kulcstulajdonság) az MSZ szabvány [1] alapján, hogy a védőeszköz minden része feleljen meg a lövedékbehatolással és alakváltozással szemben támasztott követelményeknek mind száraz, mind nedves kondicionálás esetében. A megfelelőséget vizsgálófegyverből, a vizsgálandó anyagra leadott lövések alapján értékelik.

Követendőnek tekinthető az angol lövedékálló védőmellény-szabvány [2], amely már kéri az adatok között megadni a kerámia néhány kulcstulajdonságát és a kiegészítő védőbetét részeit, jelesül:

  • a kerámia típusát
  • a nyílt porozitást/égetett sűrűséget
  • a szemcse méretét/alakját
  • a keménységet
  • a rétegek ragasztó anyagát
  • a rétegszámot (UHMWPE/ aramid stb).

 

A cikk célkitűzései

  • a mintán végzett vizsgálatok alapján bemutatni a ballisztikai kerámia és a traumát mérséklő rétegek szerkezeteit és az egyes részek feladatait
  • javasolni olyan kulcstulajdonságok (törésmechanikai adatok) méréssel történő meghatározását, amelyeknek ismerete (értékelhetősége) szilárdsági korlátként használhatók a felhasználók nagyobb biztonsága érdekében.

 

A ballisztikai kerámia és a a traumát mérsékelő réteg

Szilánkleválás történik a becsapódó lövedék hatására

A kiegészítő védőbetéttel ellátott védőmellénybe becsapódó, nagy energiájú karabély, puska töltény lövedékek átütő erőivel szemben először a ballisztikai kerámia gátló képessége fejti ki hatását a lövedékek által megtett utak mentén. A lövés felöli oldalon lévő ballisztikai kerámia réteg (körülbelül 10,0 mm vastag) a becsapódó lövedék teljes vagy részbeni progresszív fékezését, energiavesztését, roncsolódását, deformálódását, átmérő növekedését okozza.

A kiegészítő védőbetétben alkalmazott monolit (egy darabból készített) ballisztikai kerámia leggyakrabban alumínium-oxid (Al2O3), amely gyártható eltérő alumínium-oxid tartalommal [3]. Továbbá szükséges hangsúlyozni, hogy a ballisztikai kerámia soha nem jelenik meg egykomponensű (tiszta) alakban. Az előzőekben említettekből következik, hogy a mindennapok gyakorlatában törekedni kell arra, hogy lehetőleg szabványokkal is támogatott műszaki követelmények írják elő a testpáncélokban alkalmazható ballisztikai kerámia összetételét, az adalékanyag mennyiségeket, az ajánlatos törésmechanikai értékeket stb.
A ballisztikai kerámiák testpáncélokban való felhasználhatóságát, a nagy energiával becsapódó lövedékek hatásainak csökkentését, kivédését, bizonyos kerámia tulajdonságok (például keménység, törési szilárdság stb.) biztosítják.
Az alumínium-oxid ballisztikai kerámiák előállításához alkalmazott portechnológia egyes fázisait sokféleképpen lehet megvalósítani, ebből kifolyólag az alakadás során kialakuló tulajdonságokat nagymértékben befolyásolja például

  • a granulátum (szemcseszerkezet, szemcseméret-eloszlás, alapanyag tisztaság, porösszetétel),
  • az alkalmazott sajtolónyomás,
  • a sajtolónyomás hatóidő,
  • az adalékanyag-mennyiség,
  • a hőn tartási idő,
  • az égetés hőmérséklete és körülményei,
  • a kemence atmoszféra stb.

 

A lövedékálló védőmellény rétegeinek elemzése
A becsapódott lövedékek hatásaira szilánkok szakadtak ki a ballisztikai kerámia test felöli oldalán (F. Gy. felvétele)

A lövedékálló védőmellény rétegeinek elemzése
A lövés felöli oldalon, a szilánkkiszóródást, a ballisztikai kerámiára ragasztott aramid szövet réteg hívatott akadályozni (F. Gy. felvétele)

A traumát mérsékelő réteg a védőelem rész műgyantával előre átitatott (pre-peg) aramid szövet rétegekből tevődik össze, amely nyomás alatt melegítve alakul ki. Egyes konstrukcióknál a rétegek egyik oldalán polipropilén fólia (CURV) is lehet. Ez a körülbelül 8,0–9,0 mm vastag védőelem rész bizonyos mértékig hajlékony, és ragasztással kötődik a ballisztikai kerámiához. A traumát mérsékelő réteg fő feladata a becsapódó lövedék hatására keletkező „kalapácsütés” (páncél mögötti tompa sérülés – Behind Armour Blunt trauma) mérséklése.

 

A lövedékálló védőmellény rétegeinek elemzése

Traumát mérsékelő réteg : aramid rétegek (sárga szín) között polipropilén fólia (fekete szín) rétegek (F. Gy. felvétele)

 

Ásványos összetétel elemzése röntgendiffrakciós (XRD) módszerrel

A röntgendiffrakciós (XRD) diagnosztika [4] rendkívül kis mennyiségű kerámiamintából képes értékelésre alkalmas adatokat biztosítani. A röntgendiffrakció olyan módszer, amely alkalmas egy olyan diffraktogram létrehozására, amelyben az intenzitás csúcsok vízszintes tengelyen való helyei adják meg az anyagra jellemző értékeket, vagyis a vizsgált anyag minőségét. A módszer segíti a kerámiák ásványos összetételének megismerését, az összehasonlíthatóságukat.
XRD módszerrel elemzett ballisztikai kerámia kulcstulajdonságai: a vizsgált mintában jelen van

  • 88,00 % korund (alfa-Al2O3) rész, mellette
  • 2,00 % spinell rész (ebből 1,43 % Al2O3), amely kémiailag magnézium-alumínium-oxid (MgAl2O4) és
  • 10,00 % kalciumföldpát (anortit) is (ebből 3,39 % Al2O3).

 

Így, az értékelés szerint a minta összesen 92,82 % alumínium-oxid tartalmú. A röntgendiffrakciós felvételen az azonosító reflexiósorozat specifikusan éles és csúcsos reflexiókból tevődik össze, ami alfa Al2O3-re jellemző. Ebből a megállapításból a hevítés hőmérsékletre lehet következtetni, mivel az alumínium-oxid 1200–1300 Celsius-fok hőmérsékleten alakul át alfa Al2O3-á.

Keménységelemzés mikro keménységméréssel (Vickers Hv)

A ballisztikai kerámiák lokális mechanikai tulajdonságának, a mikro keménységének megállapításához mikro Vickers keménységmérő berendezést alkalmaznak, amikor is 136° csúcsszögű, négyzet keresztmetszetű gyémánt gúlát nyomnak meghatározott terhelőerővel és terhelési idővel a próbadarab mikroszkópban kiválasztott felületébe. A mikro Vickers keménység a terhelő erő és a lenyomat felületének hányadosa. A lenyomat felületének meghatározásához a terhelés megszüntetése és a mérőfej kiemelése után a négyzet alakú lenyomat átlóit (d) mérik mikroszkópban. Szükséges megjegyezni, hogy a kerámia alakítható (plastic zone) és a rugalmas (elastic region) tulajdonságai miatt a négyzet alakú lenyomatnak két átló mérete keletkezik, mégpedig: dmax-a terhelés maximumánál, és d0-a terhelés megszüntetése után. A keménység értékének egysége lehet GPa, lehet HV -Vickers (1 GPa = 98,1 HV).
Esetenként megadják a ballisztikai kerámia karcolhatósága alapján megállapítható Mohs-féle keménységi adatot is.


A lövedékálló védőmellény rétegeinek elemzése
Forcipol polírozó gép (F. Gy. felvétele)

Egy konkrét minta vizsgálatánál a kiemelt Al2O3 kerámia próbatestet a méréshez rögzíteni (beágyazni) kell. Ez történhet

  • meleg beágyazással, átlátszó akrilgyantába,
  • nyomás alatt, Hydropress meleg beágyazó berendezésben.

 

A beágyazási műveletet követi a beágyazott minta felületének több lépcsőben, egyre finomabb szemcsenagyságú korongok segítségével történő megmunkálása csiszolással, például kéttárcsás Forcipol polírozó gépen. Az előkészítő munkálatokat követő mikroszkópi vizsgálattal megállapítható a próbatest fázisai, azok mennyiségei-, alakzatai, az alakzatok méretei a minta tükörsima felületén.

 

A lövedékálló védőmellény rétegeinek elemzése

Al2O3 lapka kulcstulajdonságai:
(1) mikroszerkezet (50×)
(2) a1-3 fázis keménységei 9,7 GPa, 8,8 GPa és 8,8 GPa
(3) b1-2 fázis keménységei 13,7 GPa, 15,5 GPa (F. Gy. felvétele)

A Vickers keménység mérése alapján, a benyomódás felhasználható a ballisztikai kerámia egy másik kulcstulajdonságának, a kvázisztatikus repedésterjedéssel szembeni ellenállás (KÍC) mérésére is.

Rugalmassági modulus (Young modulus, E) elemzése

A rugalmassági modulus (E) a ballisztikai kerámia merevségéről nyújt információt. Számítható a nyomó vagy a hajlító igénybevételkor ébredő normál feszültség (σ) hatására bekövetkező fajlagos méretváltozással (ε):

σ = E.ε (GPa)            

összefüggés szerint

Továbbá egy meghatározott hosszúságú ballisztikai kerámia rugalmassági modulusa (E) számítható ultrahang segítségével is azzal, hogy bemérik azt az időt, amely alatt az ultrahang befutja a megadott hosszt.

Weibull modulus (m) elemzése

A Weibull modulus (m) a szilárdság (repedés kialakulásával szembeni ellenállás) egyenletességére jellemző adat és a Weibull statisztikával jellemzik [5] és a 3 vagy 4 pontos módszerrel mérik.

A cikk korlátozott terjedelmére való tekintettel csak megemlítem, hogy a ballisztikai kerámia további kulcstulajdonságait is célszerű elemezni a felhasználók nagyobb biztonsága érdekében, nevezetesen

  • a nyomószilárdságot,
  • az égetett sűrűséget,
  • az elektromos vezetőképességet is.

Összefoglalás

A ballisztikai kerámia és a traumát mérsékelő rétegek kulcstulajdonságainak meghatározása az alkalmazó elemi érdeke, ezért szükséges a rétegek fizikai-és kémiai tulajdonságainak, anyagjellemzőinek (kulcstulajdonságok) ismerete, ellenőrzése.

Eur. Ing. Frank György címzetes docens, SzVMSzK mérnök szakértő (B5, B6), Személy-, Vagyonvédelmi és Magánnyomozói Szakmai Kamara Szakmai Kollégium elnöke

 

Felhasznált irodalom

  • 1. MSZ K 1114-1:1999 szabvány
  • 2. Hosdb Body Armour Standards for UK Police (2007) Part 1: General Requirements. Page 7.
  • 3. Frank György Eur. Ing.: A lövedékálló védőmellény alapanyagai és a degradáció veszélye. A ballisztikai kerámia laboratóriumi vizsgálata. Bolyai Szemle 2009. 3. szám. Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem Bolyai János Hadmérnöki Kar Budapest.
  • 4. Frank György Eur. Ing.: Lövedékálló védőmellényekben alkalmazható ballisztikai kerámia megfelelőségének vizsgálata röntgendiffrakciós (XRD) módszerrel. Bolyai Szemle 2011. 1. szám. Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem Bolyai János Hadmérnöki Kar Budapest.
  • 5. MSZ ENV 843-5. rész. Statisztikai elemzés
 

Kapcsolódó írásaink

 

 

Testpáncélok időszakos vizsgálata kockázatértékeléssel

Nincs hozzászólás

Testpáncélok időszakos vizsgálata kockázatértékeléssel

A lövedékálló védőmellények, más néven testpáncélok vagy golyóálló mellények is öregszenek az idővel, ezért fontos időszakos vizsgálatuk – „In-Service Testing” – kockázatértékeléssel.

A lövedékálló védőmellény esetében műszaki meggondolások alapján, nem jogilag értelmezve, a jótállási vagy garanciaidő alatt, vagy a csereidőnek nevezett időintervallumokban, vagy a mellények műszaki használhatóságának időpontjáig a testpáncélokat gyártónak, forgalmazónak olyan harcászati műszaki követelményeket (HMK) kell garantálni, amelyek biztosítják, hogy az egyéni védőeszközök a viselőjüket megvédik azoktól a kockázatoktól, amelyek ellen tervezték és gyártották. Nem minősíthető rendkívülinek, ha a vevő termékfelelősségi biztosítást is kér a testpáncélokra, a balesetet szenvedett személy javára szólóan a jótállási időre, például a lövedékállóságra vonatkozóan.

A vizsgálat

A testpáncélok, lövedékálló védőmellények használói számára azonban a garancia akkor lehet megnyugtató, ha az megfelelő időszakos vizsgálati módszer – „In-Service Testing” – alkalmazásával, figyelemmel a testpáncélokkal szemben támasztott szigorodó biztonsági követelményekre, a fegyver- és lövedékfejlesztésekre, lehetővé teszi a ballisztikus hatásokat gátló védőanyag pillanatnyi paramétereinek bemérését, az elváltozások kimutatását, az esetleges védőeszközben bekövetkező degradáció nyomon követését. Emlékezzünk a Forest Hills-ben (1, 6) történtekre!

A kanadai Biokinetics and Associates Ltd. témával kapcsolatban már 2007. évben végzett statisztikai felmérést, olyan célcsoportban, ahol tömegesen használtak lövedékálló mellényt. A felméréseiben adott kérdések között szerepelt a következő is: „Jelenleg alkalmaz e valamilyen időszakos vizsgálatot a használt testpáncélok esetében?”

1923-ban, Washingtonban tesztelik a golyóálló mellényt (en.wikipedia.org)

A NIJ (US National Institute of Justice) együttműködve az Electronics and Electrical Engineering Laboratory-val kutatásokat végezett arra vonatkozóan, hogy mesterséges öregítés módszerével, rövid idő alatt, miképpen lehet nyomon követni a testpáncélok védőanyagainak használat közbeni esetleges degradációját?

A jelen írás alapvető célja bemutatni, ajánlani egy olyan módszert, a kockázatértékelést, amelynek segítségével a testpáncélok, lövedékálló védőmellények anyagainak esetleges veszélyes következményekkel járható elváltozásai, időszakosan végzett vizsgálatokkal – „In-Service Testing” –, még időben, felismerhetővé válnak.

Lövedékálló védőmellény kockázatértékelési lap

(Kiegészítő védőbetét nélkül)

Az értékelt lövedékálló védőmellény:

  • a gyártó neve, részletes azonosítása
  • a lövedékek elleni védelmi szint az iránymutató szabvány szerint
  • a modellgyártó művi megnevezése
  • gyártási idő
  • sorszám
  • méret
  • a védőanyag megnevezése
  • a védőanyag gyártási ideje
  • kezelési utasítás
  • figyelmeztető feliratok

Veszélyforrás

Kockázati tényező

Biztonsági követelmények

Degradáció

termikus
fotó
kémiai
nagyenergiájú sugárzás
mechanikus
biológiai

Legalább 5 év garancia a ballisztikus védőanyagokra, a testpáncél kidolgozására és legalább 18 hónap a borítóhuzatra.
Termékbiztosítás (például 10 millió dollár) a garanciális idő alatti teljes lövedékáthatolás esetére.
A megrendelő által meghatározott minták vizsgálata megrendelés előtt.
Évente vizsgálatok a használatban lévő védőmellényeken. (2)

Kényelmetlen a viselés során

Nem megfelelő a kényelem

Megfelelő kialakítása a testpáncélnak és illesztése a felső ruházathoz („pulóver zubbony”)

Viselhetőség (WR) (3)

A
WR = ————–
W × T × S

A = védőeszköz tömege (lbs)
W = védett felület (ft2)
T = vastagság (in)
S = merevség (lb/in)

Kényelem, komfort

Egyesített tényező (CR)

          WR × V50
CR = ————-
         1000

WR = viselhetőség
W50 = ballisztikai limitsebesség

Nagyobb CR jelentése: viselhetőbb, jobban véd

Fonal szakítószilárdsága csökkenése

Teljes lövedékáthatolás

az esetleges fonal szakítószilárdságának csökkenése ellenőrzése

PE-alapú, szálerősítésű kompozit azonosítása diffaktogram alapján

Nem megfelelő a minőség

A megrendelt minőség biztosítása

Ballisztikai védőképesség (m/sec)

Teljes lövedékáthatolás

Testpáncélok időszakos vizsgálata kockázatértékeléssel
σuts = a szál szálirányú szakítószilárdsága
εf = a szál húzó igénybevételénél a megnyúlás romlása
ρ = szálsűrűség
E = a szál feltételezett rugalmassági modulusa változása

Szakítóerő (N)*

  • hosszában
  • szélességben

Szakadási nyúlás (%)*

  • hosszában
  • szélességben

* 50 ±0,5 mm × 200 ±1,0 mm méretű minták (4)

Teljes lövedékáthatolás

A megrendelt minőség biztosítása

Rugalmassági modulus (E)

Testpáncélok időszakos vizsgálata kockázatértékeléssel

σ = húzó- vagy nyomófeszültség
ε = fajlagos nyúlás

A megrendelt minőség biztosítása

Az értékelést a védőeszköz kiválasztásakor, a rendelkezésre álló információk – minősítő bizonyítvány, használati útmutató, elvárt gyakorlata a használatnak, használati tapasztalatok, számítások végzése stb. – alapján kell végrehajtani!

Az értékeléshez ajánlott szimbólumok:

  • megfelelt                                    +
  • nem felelt meg                            o
  • nem vonatkozik az eszközre        x
  • nincs információ                          –

 

 

Testpáncélok időszakos vizsgálata kockázatértékeléssel

Részlet az NIJ (US National Institute of Justice) által kidolgozott védőmellény kockázatértékelési feladatlapból (5)

Eur. Ing. Frank György címzetes docens, SzVMSzK mérnök szakértő (B5, B6), Személy-, Vagyonvédelmi és Magánnyomozói Szakmai Kamara Szakmai Kollégiuma elnöke

Kapcsolódó írásaink

 

Irodalom

  1. Electronics and Electrical Engineering Laboratory: Office of Law Enforcement Standards. Page 2. Gaithersburg, Maryland. January 2007.
  2. Canadian Police Research Centre: Development of an Aged Armour Replacement Protocol. Technical Report TR-06-2008. Page A-1
  3. Eur. Ing. Frank György: Polietilén (PE) kompozit testpáncélok biztonsági őrök számára, Biztonság 2007/1. 25. oldal
  4. M. Fejdys, M. Landwijt, M. H. Struszczyk: Effect of Accelerated Ageing Conditions on then Degradation Process of Dyneema Polyethylene Composites. Fibers & Textles in Eastern Europe 2011. Vol. 19, No. 1 pp 60-65
  5. National Law Enforcement and Corrections Technology Center: Selections and Application Guide to Police Body Armor. NIJ Guide 100-98. P. O. Box 1160, Rockville, October 1998.
  6. Kirk Rice: The Attorney General’s Body Armor Initiative. NIJ. New Orleans, September 27-29, 2004.
Lövedékálló védőmellényekben alkalmazott ballisztikai kerámia azonosítása

Nincs hozzászólás

Lövedékálló védőmellényekben alkalmazott ballisztikai kerámia azonosítása

A szerző kutatásai alapján bemutatja, miként lehet a lövedékálló védőmellényekben alkalmazott ballisztikai kerámiát azonosítani a röntgendiffrakciós (XRD, röntgensugár-elhajlás) módszerrel, az atomsíkok közti rácssíktávolságok alapján.

Amikor ballisztikai kerámiáról beszélünk, akkor gondolhatunk a lövedékálló védőmellényben leggyakrabban használtak közül, például

  • az oxid kerámiák csoportjába tartozó alumínium-oxid (Al2O3) vagy
  • az oxidmentes kerámiák csoportjába tartozó bór-karbid (B4C), vagy
  • a szilicium-karbid (SiC) kerámiákra.

 

A speciális célokra alkalmazottak közül például

  • a szilicium-nitrid (Si3N4) vagy
  • a titánium-di-borid TiB2 vegyületkerámiákra is.

 

A széles választékra való tekintettel a szakemberek mindennapi munkájuk kapcsán olyan feladattal szembesülhetnek, amely során a lövedékálló védőmellényben alkalmazott kiegészítő védőbetét ballisztikai kerámia rétegének azonosítását kell elvégezni.

A fentiekből következően célszerű arra törekedni, hogy lehetőleg szabványokkal is támogatott harcászati műszaki követelmény (HMK) írja elő a testpáncélokban alkalmazható ballisztikai kerámiát és annak ellenőrzésének protokollját. Már csak azért is, mivel az 1/2009. (I. 30.) HM rendelet 13.§ (2) bekezdése szerint: „A rendszeresítésre tervezett hadfelszerelési anyagra, katonai védőeszközre vonatkozó harcászati műszaki követelményt (HMK) az alkalmazó határozza meg.”

Alakra formázott kiegészítő védőbetét monolit ballisztikai kerámia (10 mm), kráterek a test felőli oldalon (Frank György felvétele) – 1. ábra

A kutatásokról
Ez a tanulmány a lövedékálló védőmellényben használt ballisztikai kerámia anyagjellemzőit behatárolni igyekvő kutatásaimnak folytatása. A tanulmány első része megjelent „A lövedékálló védőmellény alapanyagai és a degradáció veszélye. A ballisztikai kerámia laboratóriumi vizsgálata.” címmel (4), a második rész „Lövedékálló védőmellényekben alkalmazható ballisztikai kerámia megfelelőségének vizsgálata röntgendiffrakciós (XRD) módszerrel” címmel (5) jelent meg. Jelen tanulmány csak a testpáncélokban alkalmazható alumínium-oxid ballisztikai kerámia azonosítását mutatja be, XRD módszerrel előállított diffraktogram adataiból számítva, az atomsíkok közti rácstávolságok alapján és egy adatbázis (Powder Diffraction Files) segítségével. Úgy gondolom, hogy a védőanyag típusának egyértelmű meghatározása minden vizsgálatnak a kiindulási pontja, amit jól érzékeltet például a nagyteljesítményű ballisztikai kerámiákat gyártó CeramTec-ETEC GmbH (Németország) alábbi választéka. Nem lehet mellékes a védelem kialakításakor, hogy melyik típust építik be a lövedékálló védőmellénybe (1. táblázat).

 

Alotec 96 SB

Alotec 98 SB

Alotec 99 SB

Alocor 100

Sűrűség [ρ, g/cm3]

    3,75

   3,80

     3,87

> 3,97

Keménység [HV(5), GPa]

12,5

13,5

15

21

1. táblázat

 

Ismeretlen, nagyteljesítményű ballisztikai kerámia azonosítása számítással, XRD módszerrel előállított diffraktogram, az atomsíkok közti rácssíktávolságok alapján 
Mielőtt elmerülünk a részletekben, célszerű minél pontosabban körülírni a röntgendiffrakciós (XRD) diagnosztika lényegét. A röntgendiffrakciós diagnosztika rendkívül kis mennyiségű mintából képes értékelésre alkalmas adatokat biztosítani. A röntgendiffarkció (röntgensugár-elhajlás) olyan méretű kristályok tanulmányozását biztosítja, amelyek nagyságrendekkel az ember által közvetlenül érzékelhetők alatt vannak, ezek a méretek már atomi és molekuláris nagyságrendek. A röntgendiffrakció olyan módszer, amely alkalmas egy olyan diffraktogram létrehozására, amelyben az intenzitás csúcsok vízszintes tengelyen való helyei adják meg az anyagra jellemző értékeket, vagyis a vizsgált anyag minőségét.

Lövedékálló védőmellényekben alkalmazott ballisztikai kerámia azonosítása

Az ismeretlen ballisztikai kerámia diffraktogramja – 2. ábra

A 2. ábrán látható, hogy a csúcsok 10–70 fok tartományban esnek, és a helyeik pontosan meghatározhatók. Így a szögértékekből (θ), a Bragg-egyenlet alapján, számíthatók a hozzájuk tartozó rácssíktávolságok (d).

A Bragg-egyenlet szerint
2d sin θ = n λ, ahol
d = az atomsíkok közti rácssíkok távolsága (Ǻ)
θ = a rácssíkok és a röntgen nyaláb által bezárt szög,
n = természetes szám (1, 2, 3 …),
λ = a diffraktálandó röntgennyaláb hullámhossza (Ǻ)
Alapfeltétel: λ ~ d

A három legerősebb csúcs szögértékeiből, a Bragg-egyenlet alapján számított rácssíktávolságok (1,6085 Ǻ, 2,0880 Ǻ, 2,5683 Ǻ), az adatbázisban (Powder Diffraction Files), az aluminium-oxid értékeit (1,60 Ǻ, 2,09 Ǻ, 2,55 Ǻ) közelítették meg.

2θ

d (Ǻ)

25,8

3,4707

35

2,5683

37,9

2,3928

43,5

2,0880

52,5

1,7471

57,5

1,6085

59,9

1,5503

61,5

1,5197

A csúcsok helyei és a hozzájuk tartozó, Bragg-egyenlet alapján számított atomsíkok közti rácssíktávolságok („ujjnyomok”) – 2. táblázat

Az XRD módszerrel előállított diffraktogram, az atomsíkok közti rácssíktávolságok („ujjnyomok”) alapján végzett számítás alapján megállapítható, hogy az ismeretlen, nagyteljesítményű ballisztikai kerámiaanyaga: alumínium oxid (Al2O3).

Összefoglalás

  • A nagyteljesítményű ballisztikai kerámiák harcászati műszaki követelményeinek (HMK) meghatározásához, a megfelelőségük igazolásához tanácsos az alábbi fizikai és kémiai tulajdonságok, anyagjellemzők ismerete is:
    • a típus XRD alapján,
    • a fázisösszetétel XRD alapján
    • a keménység (Vikers)
    • a szövetszerkezet
  • Időszerű foglalkozni a nagyteljesítményű ballisztikai kerámiák harcászati műszaki követelményeivel (HMK), mivel a kézifegyverek terén minőségi ugrás, átrendeződés várható.

 

Eur. Ing. Frank György címzetes docens, SzVMSzK mérnök szakértő (B5, B6), Személy-, Vagyonvédelmi és Magánnyomozói Szakmai Kamara Szakmai Kollégium elnöke

Irodalomjegyzék

  1. Eur. Ing. Frank György: A lövedékálló mellény használhatósága, a degradáció lehetséges okai. V. International Symposium on Defence Technology. Apr 2008. ZMNE Budapest
  2. Eur. Ing. Frank György: Ballisztikai védőanyagok és laboratóriumi méréseik, „Korszerű ballisztikai anyagok” című nemzetközi konferencia. 2008. november 18. Stefánia Palota. Budapest
  3. Eur. Ing. Frank György 2008. évben elhangzott előadásai a Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetemen és a Rendőrtiszti Főiskolán
  4. Eur. Ing. Frank György: Lövedékálló védőmellény alapanyagai és a degradáció veszélye. A ballisztikai kerámia laboratóriumi vizsgálata, Bolyai Szemle 2009. 3. szám, Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem Bolyai János Hadmérnöki Kar. Budapest
  5. Eur. Ing. Frank György: Lövedékálló védőmellényekben alkalmazható ballisztikai kerámia megfelelőségének vizsgálata röntgendiffrakciós (XRD) módszerrel, Bolyai Szemle 2011. 1. szám, Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem Bolyai János Hadmérnöki Kar. Budapest
  6. Dr. Földi Ferenc mérnök ezredes: Az egyéni lövészfegyverek fejlődése a XX. században és az ezredforduló után, www.zmne.hu/tanszékek/vegyi/docs/fiatkut (2012. 12.)
  7. Prof. Dr. Ungvár Gyula nyá. mk. altábornagy: A fegyverek hatékonyságát meghatározó és befolyásoló konstrukciós, emberi és egyéb külső tényezők, Bolyai Szemle 2010. 1. szám, Budapest

 

Kapcsolódó írásaink
 
 
Lap teteje