Fabric armor made of high tenacity fabrics has been widely used for flexible personnel body armor although it provides limited protection under high-energy impact loading. Recently, the impregnation of shear thickening fluid (STF) into high strength fabrics has drawn attention since it enhances the ballistic performance without the loss of flexibility of the fabric. However, the essential impact mechanism that enhances the energy absorption induced by shear thickening fluid is not clearly understood yet. In this study, the high tenacity fabrics impregnated with STF comprising of the spherical $SiO_2$ particles is investigated to identify the impact energy absorption mechanism induced by the shear thickening within fabrics. In order to examine the dynamic response of $SiO_2$ colloidal suspension (SCS) impregnated fabric subjected to ballistic impact loading, extensive experimental investigation through ballistic impact tests, low speed impact tests, and yarn pull-out tests as well as rheology tests have been carried out. Also, computational analysis of woven fabric incorporated with the effect of SCS impregnation has been performed to complement experimental observation. The proposed computational model to account for the effect of SCS impregnation has been shown to reasonably represent the physical features of the SCS impregnated fabrics subjected to ballistic impact. It contributes to a better understanding of how SCS impregnation plays a role in energy absorption within fabrics. It has been shown through experimental and computational studies that SCS impregnation affected the interfacial friction of filaments and yarns, which contributes to larger transfer of the impact energy to interaction of individual yarns in the fabric, resulting in improvement of ballistic performance over neat fabrics of equivalent areal densities. The effects of various parameters associated with the SCS impregnation on the ballistic performance have been identified as well as specific impact conditions which diminish the effect of the SCS impregnation in energy absorption have been recognized. Furthermore, the capability of the protection against different projectiles and the applicability of the SCS treated fabric in hybrid armor systems have been investigated. The study done for this thesis provides insight into the understanding of the energy absorption mechanism and demonstrates that the high tenacity fabrics with nano particles treatment as a form of the colloidal suspensions have high potential in a wide range of lightweight armor, especially the personnel body armor.
개인용 방호복은 소재의 발달과 함께 발전해오고 있으며 최근에 강화섬유의 물성이 향상됨에 따라 방탄용으로 널리 사용되고 있다. 하지만, 섬유자체만으로는 방탄력이 제한될 수 밖에 없으므로 무겁고 부피가 큰 금속이나 두꺼운 세라믹 판을 추가로 장착하여 운동성 및 착용감이 매우 저하되는 단점이 있었다. 이러한 단점을 극복하고자 본 연구에서는 나노 크기의 실리카 입자를 분산시킨 전단농화유체를 아라미드 강화섬유에 함침하여 방탄성능을 향상시키고자 하였다. 전단농화유체는 평시에는 유체의 특성을 지니고 있으므로 섬유 고유의 유연성을 저하시키지 않으나 충격과 같은 외부의 자극으로 인한 전단변형이 소재에 가해지면 급격히 점성이 증가하여 순간적으로 경화되는 특성을 지니게 된다. 이러한 특성을 이용해 평시에는 착용성 및 운동성이 우수하고 피탄시 순간적으로 경화되어 방탄성능이 급격히 향상되는 특성을 갖는 방탄복개발을 위한 연구를 수행하였다. 전단농화유체가 강화섬유에 함침되었을 경우의 방탄특성을 평가하기 위해 고속충격실험용 2단계 압축가스건을 제작하여 방탄실험을 수행하였으며 섬유 내부에서 발생하는 에너지 흡수 메커니즘을 규명하기 위해 얀 뽑힘 실험, 저속충격 실험, 마찰시험 및 기타 인장시험 등을 함께 수행하여 그 특성을 평가하였다. 전단농화유체 함침 강화직물을 실제 방탄구조에 적용하기 위해 주요 설계 파라메터들에 대한 특성 및 영향력을 실험적으로 평가하였다. 전단농화유체를 구성하는 나노입자 크기와 방탄실험시의 구속조건, 방탄직물을 구성하는 얀의 직조밀도, 전단농화유체의 함침율, 및 방탄직물의 적층구성방식 등이 방탄특성에 미치는 영향력을 실험적으로 평가하였다. 실험적으로 확인한 에너지 흡수 메커니즘에 대한 정량적 이해를 돕기 위해 유한요소법을 적용한 수치해석을 수행하였다. 방탄직물내에서의 전단농화현상 메커니즘을 모사하기 위한 수치해석 모델링 기법을 제안하였고 해석결과와 실제 실험결과와의 비교분석을 통해 수치해석모델의 적용성을 검증하였다. 이렇게 수행된 실험적 및 해석적 특성평가를 통해 실제 적용을 위한 주요 설계요소의 충격흡수 메커니즘의 특성을 분석하였으며 이러한 물리적 특성을 토대로 하여 개념적 설계형태를 제안하였고 또한 높은 위협도 상황에 적용을 위한 하이브리드 형태 방탄구조에의 적용 가능성을 실험을 통해 확인하였다. 본 연구를 통해 우수한 방탄성능뿐 아니라 착용자의 운동성 및 편의성이 향상된 나노입자 처리 방탄복 개발을 위한 기초 기반을 구축하는데 기여하였다.
