Shear thickening fluid(STF) which liquid phase filled with rigid nano particles becomes macroscopically rigid at high shear rate is very efficiency for the impact energy absorbing material. Especially, the impact energy distribution rate is increased by shear thickening effect on the impact loading when STF is impregnated in the high strength fabric. Therefore we should consider the shear thickening effect during design the light weight armor system which made of STF impregnated high strength fabrics to increase the ballistic impact characteristics.
In this study, the friction effect on the ballistic impact characteristics of Kevlar KM-2 plain woven fabric impregnated with shear thickening fluid was investigated. The STF were made of nano silica powder with various particle sizes and weight fraction in polyethylene glycol.
The yarn pull-out and frictional tests were conducted to estimate the effect of impregnated STF on the frictional forces. The test results showed that the friction forces were dramatically increased at the STF onset shear strain rates that were measured in preliminary rheology test. The friction coefficients of neat at STF/Kevlar fabrics were estimated from the frictional tests. The low speed impact tests were performed using the drop test machine. The results showed that the impregnated STF improved the impact resistance performance of Kevlar fabrics in terms of the impact energy absorption and the deformation.
For better understanding of the impact energy absorption mechanism of the STF/Kevlar fabrics, the nonlinear dynamic analysis were performed using LS-DYNA 3D. The comparisons between test data from the available literature survey and the results of numerical analysis were made to evaluate the friction effects on the ballistic impact characteristics of STF/Kevlar fabrics. Also, the effects of various design parameters of the fabrics on the ballistic impact behavior were investigated using the numerical model.
STF increased the frictional forces which lead to improve the impact resistance performance of Kevlar fabrics in terms of the impact energy absorption and the deformation.
연속상의 유체에 나노입자가 고농도로 분산되어 있는 전단농화유체(STF)는 전단속도에 따른 전단농화 효과로 인해 충격흡수재로 효과적이다. 특히 STF를 고강도 섬유에 함침했을 경우 전단농화 효과로 인해 섬유직물의 충격에너지 분산성이 향상된다. 따라서 고강도 섬유 기반의 경방탄재 설계 과정에 재료의 방탄성 향상을 위해 STF가 함침된 고강도 섬유의 전단농화 효과를 고려하였다. 본 연구에서는 나노 실리카 입자의 크기와 분산량를 달리하여 폴리에틸렌 글리콜에 분산하여 STF를 제조 후 이를 케블라 섬유에 함침하였을 때 발현되는 전단농화 효과에 따른 마찰력의 변화를 측정하여, 케블라 직물 표면과 직물 내부 섬유 사이에 작용하는 마찰계수를 예측하였다. 그리고 저속 충격실험을 통해 STF의 전단농화 효과에 따른 케블라 직물의 충격흡수 거동을 측정한 결과 직물의 변형이 감소하고 충격 에너지 분산 능력이 향상됨을 확인하였다. 또한 방탄 충격에너지 흡수 거동에 대한 정량적 평가를 위해 LS-DYNA 3D 프로그램을 이용하여 STF가 함침된 케블라 섬유의 고속 충격 상황을 모사하여 동적 비선형 유한 요소 해석을 수행하였으며, 문헌조사를 방탄 실험 결과와 유한요소 해석 결과를 비교하였다. 그 결과 STF 함침에 따른 전단농화 효과로 인한 섬유의 마찰력 증가 효과로 인해 케블라 직물의 방탄성이 향상됨을 확인하였다.
