BIZTONSÁGTECHNIKA FRANK GYÖRGY A LÖVEDÉKÁLLÓ VÉDİMELLÉNY ALAPANYAGAI ÉS A DEGRADÁCIÓ VESZÉLYE A BALLISZTIKAI KERÁMIA LABORATÓRIUMI VIZSGÁLATA MATERIALS FOR BULLET-RESISTENT VESTS AND THE DANGER OF ARMOR DEGRADATION ANALYSING BALLISTIC CERAMIC PLATES IN LABORATORIES A testpáncélok létjogosultságát alátámasztja, hogy alkalmazásuk óta több mint 2800 rendırtiszt (US) életét mentették meg. Az a rendırtiszt, aki nem viseli a testpáncélt, annak 14 szer nagyobb az esélye a halálos sérülésre, mint annak, aki viseli a védıeszközt. A cikk célja bemutatni: (1) a leginkább használt ballisztikai védıanyagokat, (2) tényeket, hogy a lövedékálló anyagok degradálódhatnak (3) egy ballisztikai kerámia lapkát, ahol különbözı mikrokeménység-értékek mérhetık a ballisztikai kerámia lapka egyes pontjain. Body armor has been credited with saving the lives of over 2800 police officers. An officer who is not wearing armor is 14 times more likely to suffer a fatal injury than an officer who is wearing armor. The aim of the article is to introduce: (1) materials most often used in bullet-resistent vests, (2) the fact that degradation of ballistic-resistant materials may occur in some circumstance, (3) a ballistic ceramic plate on which different degree of microhardness can be measured at different points of the ballistic ceramic plate. Pennsylvánia Forest Hills városában (USA), egy rendıri akció során (2003.június 23.), tragédiába torkolló tőzharcban, egy rendır meghalt és egy másik súlyosan megsérült, pedig mindketten viseltek lövedékálló védımellényt! A rendkívüli eseményt követı vizsgálatok megállapították, hogy az akció során a rendırök által viselt védımellények védıbetétei Zylon anyagból készültek, a védımellények megfeleltek a Nemzeti Igazságügyi Intézet (National Institute of Justice NIJ) 0101.04 szabvány IIA 95
A LÖVEDÉKÁLLÓ VÉDİMELLÉNY ALAPANYAGAI ÉS A DEGRADÁCIÓ VESZÉLYE védelmi fokozatnak és a Megfelelıségi Vizsgáló Program (NIJ Compliance Testing Program) követelményeinek. Megállapították továbbá, hogy a védımellényeken 40-es őrmérető Smith & Wesson pisztoly, FMJ típusú lövedékei hatoltak át. A halálos találatot kapott rendırtiszt védımellényébe a lövedék a mellény középvonalától jobbra (viselıi oldalról nézve) kb. 6 inch (152.4 mm) és a mellény alsó szélétıl kb. 4 inch.(101.6 mm) távolságra csapódott be. A találat becsapódási szöge a védıeszközbe 30 foknál nagyobb volt. A Forest Hills-i tragédia és az azt követı vizsgálatok a ballisztikai védıanyagok degradációjának veszélyére hívták fel a szakemberek figyelmét és arra, hogy több anyag jellemzı meghatározása szükséges az egyéni védıeszközök megfelelıségének az igazolásához. Ez azt is jelenti, hogy tanácsos újra gondolni, pontosítani a testpáncélok, az egyes védıeszközelemek vonatkozó harcászati mőszaki követelményeit (HMK). A cikk célja (1) bemutatni a környezetünkben leginkább használt ballisztikai védıanyagokat, (2) bemutatni a tragédia szakértıi feldolgozásakor készített anyagvizsgálatokból olyanokat, amelyek védıanyag degradálódást jeleznek, (3) bemutatni egy védıeszközelem, nevezetesen egy alumíniumoxid lapka szövetképben jelenlevı fázisok mikrovickers keménység értékeit, fıleg a ZMNE Anyagvizsgáló Laboratóriumban végzett mérések alapján. 96 Az alapanyagok Az alapanyagok tulajdonságai nagyrészt meghatározzák a testpáncélok minısítı jellemzıit is. Ezért szükséges foglalkozni azokkal az eredetük szerint szintetikus alapanyagokkal, amelyek a korszerő testpáncélok anyagául szolgálnak. Fontos megemlíteni, hogy míg a természetes alapanyagok tulajdonságait azok eredete, a természettıl kapott tulajdonságai határozzák meg, addig a szintetikus anyagok kémiai, szerkezeti és fizikai tulajdonságai irányítottan formálódnak, meghatározott jellemzıkkel. A testpáncélok rendeltetésszerő használatra vonatkozó követelményeit céltulajdonságok (pl. keménység, hajlítószilárdság, ejtés hatásával szembeni állékonyság klímatizált viszonyok között, porózusság, anyagkiszakadás elıre és hátra, stb.) segítségével lehet kialakítani. A korszerő testpáncélok általában polietilén (PE) alapú, vagy aromás poliamidok (ARAMID), tartósan vízle-
BIZTONSÁGTECHNIKA pergetıs (DWR), ballisztikai hatásokat gátló anyagok felhasználásával készülnek. Léteznek, un. hibrid megoldások is, amelyek a felsorolt anyagokat meghatározott rendben együtt alkalmazzák. A lánghatásoknak ellenálló testpáncélok borítóhuzata gyakran nem más, mint az aromás poliamidokhoz tartozó NOMEX szálból készülı, magas hımérsékleten nem olvadó, csak szenesedı szövet. A nagy energiájú karabély-és puskatöltények lövedékei ellen természetesen csak az olyan védımellény biztosít védelmet, amelyik legtöbbször ballisztikai kerámiával felépített kemény páncélt is hordoz. Ha áttekintjük az elmúlt néhány év alatt bekövetkezett alapanyag fejlesztéseket, akkor határozottan kijelenthetjük, hogy a napjaink ballisztikai hatásokat védı eszközei már messze járnak a tegnapiak védıképességétıl, azok tömegeitıl, azoknak a testhezállóságától, azok kényelmességétıl és az azok által biztosított mozgásszabadságától stb. A polietilén (PE) alapú anyag A rétegelt kompozit szerkezet szálasnak minısíthetı azért, mivel egy ballisztikai hatást gátló egységben (single element) a szálak és az ágyazó (matrix) anyag a terhelést célszerő elosztásban együtt viselik, minden irányban azonos tulajdonsággal (izotróp), a szálerısítés hálós elrendezése következtében. Itt az ágyazó anyagban a két rétegben beépített szálak (nyalábok) minden rétegben egymással párhuzamosak, viszont a rétegek párhuzamos szálai (nyalábjai) egymásra merılegesek (0 o /90 o ). A kompozit szerkezet rétegeltnek is minısíthetı azért, mivel egy ballisztikai hatást gátló egység ágyazó anyagában két rétegben elhelyezkedı nyalábok polietilén (PE) fóliával bevontak, mindkét oldalukon. Az ilyen kialakítású ballisztikai hatásokat gátló kompozit anyagnak a védıképessége a védıanyag keresztmetszetbe helyezett egységek mennyiségétıl, a réteg számtól függ. Polietilén (PE) alapúak pl. a SPECTRA, a Dyneema, a Zshield, a Spectra Shield Plus Flex, stb. kereskedelmi nevekkel jelzett ballisztikai hatásokat gátló anyagok. A Dyneemat pl. gyártják Hollandiában (Heerlen), USA-ban (Észak Carolina) és Japánban (Osaka). A PE szálak anyaga lehet UHMWPE Ultra High Molecular Weight Polyethylene (nagy fajsúlyú), a fóliák anyaga pedig LDPE - Low Density Polyethylene (kis fajsúlyú). A kis fajsúlyút lágy, a nagy fajsúlyút kemény polietilénnek is nevezik. A szálkeresztmetszet kerek. A PE-k közös tulaj- 97
A LÖVEDÉKÁLLÓ VÉDİMELLÉNY ALAPANYAGAI ÉS A DEGRADÁCIÓ VESZÉLYE donsága a parafinszerő tapintás. Ellenállnak savaknak, lúgoknak, a benzin, a benzol és a kıolaj viszont duzzasztja. A Twaron LFT SB1 (Laminted Fabric Technology) jelő szövet és a LFT AT változat olyan szendvics struktúrák, amelyekben egy egység három ultravékony PE (polietilén) filmréteg közé helyezett, két réteg Twaron Microfilament tip. fonalból készült szövet rétegbıl áll. Alapanyag: hıre lágyuló polietilén (PE) szálerısítéső rétegelt kompozit V 2.5 (m/sec) Rétegszám 8 egység Konfekcionálás védırétegek huzatba varrva Minta tömege 988 gramm Fegyver 9 x 19 mérıcsı Csıhossz: 101 mm Huzagemelkedés 1 : 254 mm Vizsgáló lövedék típus 9 x 19 mm FMJ RN Névleges lövedék tömeg 8.0 gramm Vizsgálati távolság 5.0 m Kondicionáló hımérséklet 22 0C Relatív légnedvesség 50 % E 2.5 2.5 (J) Átlövés Igen/Nem Becsapódási Trauma (mm) szög ( 0 ) mélység átmérı Megjegyzés 439 771 N NIJ 90 28 65 nem ütötte át 433 750 N NIJ 90 nem ütötte át 436 760 N NIJ 90 28 70 nem ütötte át 434 753 N NIJ 90 nem ütötte át 431 743 N NIJ 90 nem ütötte át 436 760 N NIJ 90 nem ütötte át 1. táblázat Lövedékállóság vizsgálat (NIJ 0101.04 szabvány alapján) 98 Az aramid alapú anyag A szintetikus poliamid szálak továbbfejlesztésének eredménye, a polikondenzációs eljárással folytonos szál (filamentek) formában elıállított, az aromás poliamidok (ARAMID) csoportjába tartozó, TWARON kereske-
BIZTONSÁGTECHNIKA delmi névvel jelölt, a ballisztikai hatásokat hatásosan gátló aramid szál. A sárga színő para-aramid szál kivételes mechanikai tulajdonságaival tőnik ki, a fehér színő meta-aramid szál pedig fıleg a lángállósággal. Az aramid szálak a DIN 60001 Part 3:1998 szerint olyan aromás láncegységekkel rendelkezı polimer szálak, amelyeknek minimum a 85 súlyszázaléka közvetlenül aramid csoportokkal kapcsolódnak lineáris makromolekulákká és amelyekben az amid kötéseknek maximum az 50 százalékát helyettesíthetik imid kötések. Az aramidok lúgoknak, szerves oldószerek hatásainak ellenállnak, nagy a termikus stabilitásuk, láng hatására nem olvadnak, hıre nem zsugorodnak, csak szenesednek, 410 C fokon bomlanak, UV sugárzás hatására degradálódnak (1. ábra). 1. ábra Az ARAMID anyagok szakítószilárdsága csökken hımérséklet hatására (pl. Molotov koktél). A szövetek nedvességtartama befolyásolja (rontja) a ballisztikai hatások elleni védıképességet. Cikkszám Fonalak finomsági száma dtex lánc/vetületek Twaron típusa lánc/vetülék Kötés Sőrőség lánv/vetülék sőrőség/10 cm Területi tömeg g/m 2 Vastagság mm Szakítóerı N/5 cm CT 612 550/500 2040 vászon 110/110 125 0.20 5000/5200 CT 613 550/500 2040 vászon 123/123 135 0.20 5000/5500 CT 704 840/1000 2000 vászon 107/107 180 0.30 7800/8200 99
A LÖVEDÉKÁLLÓ VÉDİMELLÉNY ALAPANYAGAI ÉS A DEGRADÁCIÓ VESZÉLYE Cikkszám Fonalak finomsági száma dtex lánc/vetületek Twaron típusa lánc/vetülék Kötés Sőrőség lánv/vetülék sőrőség/10 cm Területi tömeg g/m 2 Vastagság mm Szakítóerı N/5 cm CT 706 840/1000 2000 vászon 126/126 215 0.31 9200/9700 CT 707 930/1000 2040 vászon 85/85 160 0.25 6500/7000 CT 709 930/1000 2040 vászon 105/105 200 0.30 8000/8500 CT 714 1100/1000 2040 vászon 85/85 190 0.30 7700/8200 CT 716 1100/1000 2040 vászon 122/122 280 0.40 10500/11100 CT 732 1680/1000 2000 vászon 68/68 220 0.34 8300/8900 CT 736 1680/1000 2000 panama 2x2 127/127 410 0.62 15500/16600 CT 737 1680/1000 2000 sávoly 2x2Z 127/127 410 0.60 15500/16600 CT 747 3360/2000 2000 vászon 63/63 410 0.62 15500/16600 CT 750 3360/2000 2000 vászon 69/69 460 0.70 16500/18000 T 730 1680/1000 1000 vászon 78/78 260 0.40 9400/10000 T 750 3360/2000 1000 vászon 67/67 460 0.65 16200/17400 T 751 3360/2000 1000 vászon 45/45 300 0.53 10900/11700 T 760 3360/2000 1000 sávoly 4x4 92/92 635 1.05 22000/23500 100 2. táblázat. TWARON ballisztikai szövet választék A T 730 és a T 751 cikk számú szöveteket általában ott használják, ahol nem tartozik az elsıdleges követelmények közé a tömeg, de lényeges a hajlíthatóság. A CT 716 és a CT 732 cikk számú szöveteket általában ott használják, ahol döntı az anyagkiválasztásnál a testet érı, hirtelen bekövetkezı tompa ütés (blunt trauma) minimalizálhatósága és a gazdasági szempont. A CT 714 cikk számú szövetet általában ott használják, ahol döntı a repeszállóság. A CT 709 cikk számú szövetet általában azokhoz a lövedékálló mellények készítéséhez használják, ahol döntı a tömeg. A CT 704 és a CT 706 cikk számú szöveteket általában ott használják, ahol döntı az anyagkiválasztásnál a nagyon kicsi repeszek elleni védelem. A CT 704 cikk számú szövetet, hasonlóan CT 709 cikk számú szövethez általában lövedékálló mellények készítésére használják. A CT 706 cikk számú szövetet pedig olyan kompozitok elıállításához, amelyekbıl könnyő sisakokat készítenek.
BIZTONSÁGTECHNIKA A CT 750 és a CT 736 cikk számú szöveteket általában könnyő kompozit szerkezetek elıállítására használják, pótpáncélozásokhoz. Van olyan nedvességet tőrı változatuk is, amelyet a kikészítésnél PVB-vel (polivinil butiral) impregnálják. A CT 750 cikk számú szövetet rideg kompozit szerkezetek készítésére használják (pl. repesz-, lövedékfogó függöny), lövés felöli oldalon fém páncél vagy kerámia réteggel kiegészítve. A kemény páncél (kiegészítı védıbetét) A kemény páncélok (Hard Armor vagy Rigid Armor)) általában kompozit anyagok, morfológia szerinti csoportosításban rétegelt kompozitok, amelyekben aramid szálakat, nagy szilárdságú polietilén (HPPE) szálakat stb. alkalmaznak szálerısítı anyagként. Mátrix anyagnak vagy más néven beágyazó anyagnak használnak nagyobb hıállóságú fenolgyantát, epoxigyantát. A kemény réteg meghatározott méretekben ballisztikai kerámiából (alumínium-oxid, szilíciumkarbid vagy bórkarbid) készül, leggyakrabban aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) anyagból, gondosan összeválogatott pl.: 20x20x4 mm, 20x20x8 mm vagy 20x20x10 mm mérető lapokból, amelyeket pl. epoxi gyantával ragasztanak össze. Az így kialakított kerámia védılapot, végül szövési technológiával üvegszálakból készített, egymásra merıleges szálrendszerő, kb. 100-200 g/m 2 tömegő roving szövet rétegek közé ágyazzák. A kemény páncélok gyakran alkalmazott mérete a 200 x 250 mm (8 x 10 ) vagy a 250 x 300 mm (10 x 12 ). Az utóbbi mérető védıpanel tömege 2,4-3,5 kg/panel. között változik attól függıen, hogy a III. vagy IV. védelmi szinthez készül. A vizsgálatra kerülı kemény páncél védıbetét és a lemez betét méretek 254 x 305 mm-nél nagyobb nem lehet (NIJ 0101.06 szabvány 4.1.2). A védıpanelekbe épített aluminiumoxid kerámia a mőszaki kerámiák csoportjába sorolható, azon belül a ballisztikai kerámia alcsoportba. A portechnológiával készült alumíniumoxid kerámiák tulajdonságait befolyásolja (1) a porok összetétele (szemcseszerkezet, szemcseméret-eloszlás, porok összetétele), (2) az alakadási technológia (alkalmazott sajtolónyomás, sajtolónyomás maximális hatóideje, adalékanyag mennyiségének aránya), (3) az égetés módja (hıntartási idı, égetés hımérséklete, kemence atmoszféra). A ballisztikai kerámia a fémekhez képest igen kemény, kopásálló, ugyanakkor rideg, azaz dinamikus igénybevételek elviselésére csak 101
A LÖVEDÉKÁLLÓ VÉDİMELLÉNY ALAPANYAGAI ÉS A DEGRADÁCIÓ VESZÉLYE korlátozottan alkalmas anyag. A ballisztikai kerámiáknál kiemelt jelentıségőek azok a mechanikai-tulajdonságok, amelyekkel képesek törni, deformálni a nagy sebességgel becsapódó acélmagvas, teljes fémköpenyes (full metal jacket-fmj), páncéltörı stb. karabély-és puskatöltény lövedékeket. Ugyancsak fontosak azok a mechanikai tulajdonságok is, amelyekkel a kerámia réteg mérsékelni tudja a lövedék becsapódásából eredı blunt traumát (tompított sérülés), másrészt a szilánkosodást és a viselésbıl fakadó terheléseket (2. ábra). 2. ábra A kalapácsütés feszültségképei a DYNEEMA és az ARAMID anyagokban A cikk írója egy modell kísérlet alkalmával gyızıdött meg arról, hogy a védımellénybe becsapódó nagy energiájú sörétek milyen végzetes sérülést ( blunt traumát ) okozhatnak a viselınél már akkor is, amikor még nincs áthatolás. A kísérlet során 22 mm vastag faláda oldalára szorosan lett felrögzítve egy 34 rétegő, steppelt betétes, kevlár anyagból készült védımellény lövedékálló betétje. A védıbetéttel borított oldaltól 0,5 méterre került felállításra egy NF 12/65 E- 5,5 patronnal töltött disrupter. Az indított 100 gramm, 2,5 mm átmérıjő acélsörétek a kevlár anyagból készült betétet nem ütötték át, de a mögötte lévı láda faanyagát összetörték, 102
BIZTONSÁGTECHNIKA benyomták. A kísérlet alapján mondható, hogy mindaddig, amíg ennek a védıanyagnak, nevezetesen a ballisztikai kerámiának a gátlóképességét és a védıképességét alapvetıen befolyásolni tudó tulajdonságokat nem ellenırzik módszeresen, addig az ezt tartalmazó eszközök alkalmazása nem lehet megnyugtató. Bizalmat az a védıanyag kaphat, aminél a ballisztikai teszteken túl pl. elemzik a kerámia minták síkcsiszolatain az anyagot alkotó szövetelemek (fázisok) mikrovickers keménységét, a szemcsenagyságot és a szemcseeloszlást, továbbá az ejtés hatásával szembeni állékonyságot (3. ábra.), a hıhatások következményeit (klimatizálás közben), a porózusságot stb. Kiegészítı védıbetét Kitöltı anyag Kétszer kell ejteni Beton 3. ábra A kemény páncél (ballisztikai kerámia) ejtés hatásával szembeni állékonysági vizsgálata beton felületre történı leejtéssel szemben Harcászati-mőszaki követelmény A ballisztikai kerámia harcászati-mőszaki követelményei (HMK) között az egyik legfontosabbnak ítélhetı tulajdonság a megfelelı keménység, amitıl elsısorban függ a gátló és védıképesség. A keménység nem más mint a kerámia anyag ellenállása az adott geometriájú lövedék behatolásával szemben. Amikor a ballisztikai kerámia keménységérıl beszé- 103
A LÖVEDÉKÁLLÓ VÉDİMELLÉNY ALAPANYAGAI ÉS A DEGRADÁCIÓ VESZÉLYE lünk, akkor mindig arra kell gondolni, hogy csak a megfelelı keménységő kerámia képes a kinetikai energiával (KE) becsapódó lövedéket roncsolni, deformálni, gombásítani, a blunt traumát, a kalapácsütést mérsékelni. A fellépı erıhatások nagyságát a mindenkori fegyverkörnyezet karabély- és puskatöltények lövedékeinek fajlagos energiatartalma határozza meg. Tudomásul kell venni, hogy várható a fegyverkörnyezet megváltozása, ezért a ballisztikai kerámia fejlesztésével foglalkozni kell. A lövedékek 1 mm 2 -re esı fajlagos energiatartalma, ez jellemzi a lövedékek becsapódáskori pillanatnyi mozgási energiáját 0.6-8 dnm/mm 2 nagyságról min. 14 dnm/mm 2 nagyságúra fog növekedni. Emlékeztetıül: pl. a NIJ 0101.03 szabvány 2.4 pontban meghatározott III. védelem csak max 8 dnm/mm 2 energiájú acélmagvas, hegyesorrú lövedékek ellen biztosít védelmet. A HMK-ban rögzíteni kell a kerámia tömegeloszlással kapcsolatos tulajdonságait (testsőrőség, sőrőség, tömörség, porozitás) és a kiégetési hımérsékletet. Ugyanis a nagyobb kiégetési hımérséklet esetén a kerámia porozitása és a törékenysége csökken. Növekvı testsőrőséggel növekszik a kerámia nyomószilárdsága. 104 A kerámia megfelelıség keménysége alapján A ballisztikai kerámiák lokális mechanikai tulajdonságának, a mikro-keménységének megállapításához mikrovickers keménységmérı berendezést alkalmaznak, amikor is 136 csúcsszögő négyzet keresztmetszető gyémánt gúlát nyomnak meghatározott terhelıerıvel és terhelési idıvel a próbadarab mikroszkópban kiválasztott felületébe. A mikrovickers keménység a terhelı erı és a lenyomat felületének hányadosa. A lenyomat felületének meghatározásához a terhelés megszüntetése és a mérıfej 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 d max -a terhelés maximumánál, és d 0 -a terhelés megszüntetése után. A keménység értékének egysége lehet GPa, lehet HV- Vickers. Esetenként megadják a ballisztikai kerámia karcolhatósága alapján megállapítható Mohs-féle keménységi adatát is. A HMK meghatározásához azonban ennek az adatnak az egyedüli közlése nem tekinthetı elégségesnek. A ballisztikai kerámia megfelelıségének értékeléséhez a mikrovi-
BIZTONSÁGTECHNIKA kers keménység érték alkalmazása célszerőbb, amit a következıekben leírt méréssel kívánok alátámasztani. Egy véletlenszerően kiválasztott helyrıl kiemelt, 9 Mohs keménységőnek meghatározott kerámia lapka (gyártó jel: A-02) mikrokeménységét bemértem és a kapott adatokat összehasonlítottam az ugyancsak 9 Mohs keménységőnek, de min 20 GPa mikrokeménységőnek meghatározott kerámia lapka (gyártó jel: 98 B) adataival. A kiemelt Al 2 O 3 kerámia próbatest (gyártó jel: A-02) 20x20x4 mm mérető, a méréshez rögzítése melegbeágyazással történt, átlátszó akrilgyantába, melegen, nyomás alatt, Hydropress melegbeágyazó berendezésben. A beágyazási mőveletet követte a beágyazott minta felületének több lépcsıben, egyre finomabb szemcsenagyságú korongok segítségével történı megmunkálása csiszolással, kéttárcsás Forcipol polírozó gépen. Befejezésképpen polírozó korongon alakult ki a minta tükörsima felülete. Az elıkészítı munkálatokat követı mikroszkópi vizsgálattal megállapítható volt, hogy a próbatest két fajta fázist tartalmaz (α és β), amelyek különbözı mennyiségekben, különbözı alakzatokban, alakzatonként különbözı méretekben jelentek meg a minta tükörsima felületén. Az α 1 3 fázis keménységre 9,7 GPa, 8,8 GPa és 8,8 GPa, a β 1 2 fázisra pedig 13,7 GPa, 15,5 GPa értékeket mértünk (4. ábra). Az elvégzett mikrovickers keménység méréssel igazolást nyert, hogy a kölcsönösen 9 Mohs keménységőnek jelölt kerámialapkák nem egyforma keménységőek, a keménységeik közötti különbség jelentısnek minısíthetı α 1 α 2 α 3 β 1 2 4. ábra. A kerámia lapka szövetszerkezete (x100) 105
A LÖVEDÉKÁLLÓ VÉDİMELLÉNY ALAPANYAGAI ÉS A DEGRADÁCIÓ VESZÉLYE A kemény páncél huzata A huzat anyaga lehet pl. Supplex márkanevő (100% nylon), aminek fontosabb szövetjellemzıi vizlepergetı, szennytaszító (stain resistant), penészesedésnek ellenálló, a vetülék szakítóerı min. 634 N a lánc szakítóerı min. 994 N, látható szín és szövet hibától mentes. A testpáncél borítóhuzata (borítószövet) A testpáncél borítóhuzat anyaga leggyakrabban kevert szálakból készül, pl. 65% poliészterbıl 35% pamutból keverve, készül a Cordura márkanevő, vízálló, durva gyapjúhoz hasonló tapintású nylonból, készül 100% pamutból, készül CoolMax márkanevő, négycsatornás poliészter szálakból elıállított vízlepergetı, a nedvességet gyorsan a külsı rétegek felé továbbító, laza szerkezető, lélegzı anyagból stb. Készül testpáncél sugárzó hı és kontakt lánghatás ellen védı borítóhuzattal is, aminek az anyag összetétele pl. lehet 40% NOMEX 450 és 60% Kevlar.. A kevert szálú szövetek elınye, hogy tartósabbak. A 100% pamutszöveteknek viszont a színtartósságuk jobb. Szükséges megjegyezni, hogy harci ruházatoknál a 100% pamut anyag már nem tekinthetı modernek. A borítóhuzat területi sőrőség (g/m 2 ) az egyik fontos minısítı szövetadat. A területi sőrősége pl. a K 007 jelzéső 51% poliészter 49% pamut terepszín mintázatú szövetnek 235 g/m 2, a K 006 jelzéső 100% pamut terepszín mintázatú szövetnek 195 g/m 2, a K 004/001 jelzéső 100 % poliészter fekete színő szövetnek 200 g/m 2, a kikészítés lehet vízlepergetı és szennyezıdésnek ellenálló (Soil Resistant Finish SRF) tulajdonságokat biztosító. A szövetjellemzık közül kiemelést érdemel a lánc és vetülék szakítóerı (N), a légáteresztı képesség és a szövetvastagság (mm). Színválasztékban a leggyakrabban megtalálható a terepszín-mintázat, a kék, a fekete, a fehér, a szürke, és a zöld Á korszerő testpáncélok borítóhuzatai mosógépben moshatók miután eltávolították belılük a védıbetéteket. Régebben a kézi mosás volt a javasolt tisztítás, kiemelve, hogy azt törés és facsarás nélkül, sikálókefével, semleges mosószer felhasználásával végezzék. 106
BIZTONSÁGTECHNIKA A tépızár A testpáncél testen való rögzítését, beállítását a borítóhuzatra felvarrottan vagy D győrővel csatlakozva tépızárak (hook and loop products) biztosítják. Ezek a rögzítı elemek moshatók, szárazon tisztíthatók. A normál (standard) változaton kívül kapható olyan változat, amelyik elviseli a sugárzó hıt és a lánghatást. A normál változat anyaga lehet 100% poliamid 6-6 vagy 100% poliészter (jól birja az UV sugárzást és a sós vizet), ezek készülnek 1/2, 5/8, 3/4, 1, 1-3/16, 1-1/2, 2, 3, 4, 5, 6 szélességekben. A sugárzó hıt és a lánghatást elviselı változat anyaga poliamid 6-6 Nomex anyaggal keverve, ez készül 3/4, 1, 2 szélességekkel. A Velcro egy tépızár márkanév, amely név a francia velours (bársony) és a crochet (horog) szavak összevonásával keletkezett. A NOMEX szövet A sugárzó hı és kontakt lánghatás elleni védelemre szolgáló anyagokat (pl. NOMEX 430, 450, 455, 462, CGF, OMEGA stb) különbözı feladatokra fejlesztették ki, ezért egy konkrét helyen (pl. testpáncél borítóhuzat) nem elegendı csak azzal jelölni az alkalmazott anyag védelmi képességét, hogy az NOMEX. A testpáncélok sugárzó hı és kontakt lánghatás elleni védelmére gyakran a NOMEX 455 (III) szövetet alkalmazzák, amelynek összetétele: 40% NOMEX 450 és 60% Kevlar. Ennek az anyagnak jellemzıi: hı és lángálló, break-open resistance, tőz vagy magas hımérséklet hatására olvadék nem képzıdik, nem csepeg, a zsugorodása minimális, 400-500 fok C felett szenesedik, mérsékelt füstfejlesztı képességő. Ilyen borítóhuzata van pl. az EOD-8 tip. Med-Eng bombaruhának is, de ilyen lángálló anyagból készül a Forma-1 pilóta álarca, kezeslábasa, kesztyője, trikója, zoknija és a kötelezı jégeralsó. Ezen az öltözéken még a reklámfeliratokat, jelvényeket és az alkalmazott cérnát is lángálló anyagból kell készíteni. A szabályok szerint az öltözéknek legalább 12 másodpercig meg kell óvnia a versenyzıt az égı üzemanyag lángjától. Robbanásveszélyes térségben célszerő a NOMEX 462 (IIIA) szövet használata, amelynek összetétele 93% NOMEX 450, 5% Kevlar és 2% P140. Ennél a védıanyagnál az egyik legfontosabb anyagjellemzı az antisztatikus tulajdonság. Az antisztatikus tulajdonságot a P140 jelzéső 107
A LÖVEDÉKÁLLÓ VÉDİMELLÉNY ALAPANYAGAI ÉS A DEGRADÁCIÓ VESZÉLYE poliamid (PA) kapilláris szál biztosítja, amelynek közepe szénszál a sztatikus elektromosság elvezetésére. A degradáció veszélye A ZYLON márkanevő anyag poly-phenylene-2,6-benzobisoxazole, egy hıre keményedı mőanyag, amelyet a Toyobo Co. Cég (Japán) gyárt. A Forest Hills városban történtek után az igazságügy miniszter (USA) utasítására a Nemzeti Igazságügyi Intézet (NIJ) megvizsgált többek között 16 különbözı készítıtıl származó, 240 modellt, azokat, amelyekben Zylon anyagból készültek a lövedékálló védıbetétek. Vizsgálat tárgya volt továbbá maga a fegyver, a lıszer és természetesen a Zylon nevő ballisztikai védıanyag. A vizsgálat megállapításaiból: a lövedék sebesség nem volt nagyobb a védelmi szint NIJ szabványában elıírtnál; a lövedék anyaga hasonló volt a szabványos vizsgálólövedékek anyagához, bár volt bizonyos eltérés a lövedék alakjánál és deformálódásánál; a halálos találatot kapott rendırtiszt lövedékálló védımellényének, hátsó lövedékálló védıbetétjébıl kivett Zylon fonal szakítószilárdsága 30%-al volt kisebb egy új Zylon fonal szakítószilárdságánál a vizsgálat megkezdésének idıpontjáig több mint 240 000 db Zylon felhasználásával készített testpáncélt értékesítettek. Az igazságügy miniszter (US) által elrendelt vizsgálat során a szakértık a testpáncél (új és használt) állapotokat nemcsak lövésekkel vizsgált, plasztilin tömb elé rögzített minták eredményei alapján határozták meg. Ugyanis a csak lövésekkel lefolytatott vizsgálatok nem szolgáltatnak elegendı információt (pl. szövetjellemzıket) a védıanyag viselkedésre vonatkozólag. 108 A Zylon anyag lövedékállóságának vizsgálata A szabványban meghatározottak szerint 28 db. Zylon védıanyagból készített lövedékálló védımellény elsı védıbetétei közül 12 mintánál, tehát a vizsgált minta 43%-nál a vizsgálólövedékek vagy annak repeszei áthatoltak a lövedékálló betéteken. Továbbá összehasonlítottak 19 db Zylon védıanyag felhasználásával készített új mellény lövedékálló betétet,
BIZTONSÁGTECHNIKA használt mellények, hátsó lövedékálló betéteivel, V50 alapján. Eredmény: a használt mellények közül 9 db lövedékálló mellénybıl származó védıbetét V50 értéke nem érte el az új védıbetétek V50 értékeit, a különbség kb. 100 ft/s volt. A Zylon anyag szakítószilárdságának vizsgálata A 28 db Zylon védıanyagból készített lövedékálló védımellény elsı védıbetétei közül, 22 betét mintánál bemérték a Zylon fonalak szakítószilárdságait és összehasonlították egy új védıbetétbıl származó Zylon fonal szakítószilárdságával (5. ábra). 5. ábra Zylon fonal szakítószilárdságának változása használt védımellények, elülsı lövedékálló védıbetéteiben (A vizsgált minták száma: 22) Az újnak nevezett védıbetétet 2003. év szeptemberében készítették és a fonal szakítószilárdágát 2003 októberében mérték be. Eredmény: a bevizsgált 22 minta szakítószilárdsága átlag 41%-al alacsonyabb volt az új mellény fonalának szakítószilárdságánál, mégpedig úgy, hogy a minimum csökkenés 11% és a maximális csökkenés pedig 61% volt. 109
A LÖVEDÉKÁLLÓ VÉDİMELLÉNY ALAPANYAGAI ÉS A DEGRADÁCIÓ VESZÉLYE ZYLON RÉTEGEK SZÁMA (%) VIZSGÁLT ÁTHATOLÁS MENNYISÉG (DB) NINCS TÖRTÉNT ÁTHATOLÁS % Kevesebb, mint 15 4 4 0 0 25 30 9 6 3 33 30 35 11 0 11 100 35 50 5 2 3 60 50 75 11 3 8 73 75 99 4 0 4 100 100 31 12 19 61 3. táblázat A használt hibrid védıeszköz megbízhatósága csökken nagyobb mennyiségő Zylon tartalomnál ÁLLAPOT A használtság alig látható A használtság jól látható A használtság durva viselésre utal VIZSGÁLT ÁTHATOLÁS MENNYISÉG (DB) NINCS TÖRTÉNT ÁTHATOLÁS % 10 4 6 60 34 15 19 56 31 8 23 74 4. táblázat. Lövedékállóság (állapot) vizsgálata szemrevételezéssel Azokból a vizsgálati eredményekbıl, hogy az 1-3 védımellény állapot csoportok több mint 50%-nál áthatolás történt, az egyes csoportok áthatolás %-i között szignifikáns különbség nincs, arra lehet következtetni, hogy csak szemrevételezés alapján, a megállapított védımellény állapotokból, a védımellények lövedékállóságára, vélemény nem alakítható ki. A klíma hatásának vizsgálata A védıbetétek szakítószilárdságát bizonyos mértékig befolyásolja a hoszszabb ideig ható levegı relatív légnedvesség (1 m 3 levegıben lévı vízmennyiség gr-ban) és a környezet tényleges hımérséklete. Klímaszekrényben végzett vizsgálatok azt mutatják, hogy a hosszabb ideig tartó mele- 110
BIZTONSÁGTECHNIKA gebb, száraz hımérséklet szinte alig okoz szakítószilárdság csökkenést a védıbetétekben, míg a hosszabb ideig tartó légnedvesség igen (6. ábra). 6. ábra A relatív légnedvesség (víz, vízgız) és a hıfok változás hatása a Zylon fonal szakítószilárdságára Fourier transzformációs infravörös (FT IR) spektrometriai analízis Ez a típusú vizsgálat színkép alapján elemez spektroszkóp segítségével úgy, hogy értelmezi az elıállított színképet az atomok és molekulák energiaszintjeik és a molekulaszerkezeteik alapján. Az IR-spektroszkópos vizsgálat nagy elınye, hogy anyagigénye kicsi (néhány mg) és roncsolástól mentes, úgyhogy szükség esetén a célanyag a spektrumfelvétel után viszszanyerhetı. Fontos viszont, hogy azonosítási, illetve szerkezetvizsgálati célokra a minta igen tiszta, szennyezıdésmentes és lehetıleg gondosan víztelenített legyen. A lövedékálló védımellény védıképességének vizsgálata olyan FT IR spektrométeren történik, amely az infravörös hullámszám tartomány 4000 cm -1-600 cm -1 részén üzemel, hiszen a molekularezgések jelentıs része itt jelentkezik. Ez az IR szerkezetvizsgálat rutinterülete! Az alábbiakban megnevezett négy minta fourier transzformációs infravörös (FT IR) spektrometriai analízise jelentıs különbséget (kb. 30 %) mutat a virgin és a officer megnevezéső védıanyagok között (7. ábra). 111
A LÖVEDÉKÁLLÓ VÉDİMELLÉNY ALAPANYAGAI ÉS A DEGRADÁCIÓ VESZÉLYE 7. ábra. A virgin és az officer megnevezéső védıanyagok között a különbség kb. 30 % Officer armor: a Forrest Hills-i tőzharcban elhunyt rendırtiszt által viselt mellény hátsó lövedékálló betétje New armor: egy új, nem viselt védımellény, hasonló modell és konstrukciójú mint amit az elhunyt rendırtiszt viselt (SMU-IIA+105130), 2003. évben gyártott. Archive armor: egy védımellény a National Law Enforcement and Corrections Technology Center (NLECTC) Compliance Test Program minta raktárából, SMU-IIA+105130 modell, 2001. évben gyártott és megfelelt 2001. év májusában a megfelelési követelményeknek. Virgin yarn: orsóra csévélt PBO fonal, 2003. év augusztus hónapban gyártott és a vizsgálathoz 2004. év májusában adták. Szakítószilárdság GPa Szakadási nyúlás % Szakítási munka Nm Officer armor 3.22 2.50 0.31 New armor 4.78 3.29 0.61 Archive armor 3.65 2.65 0.37 Virgin 5.34 3.52 0.91 5. táblázat A Zylon fonal mechanikai tulajdonságainak változása 112
BIZTONSÁGTECHNIKA A lövedékek becsapódásaiból (lökésekbıl) származó gyors igénybevételeket a fonal csak akkor bírja szakadás nélkül, ha a lövedék (lökés) energiáját a fonal megfelelı munka végzésével fel tudja venni. Összefoglalás 1. A vizsgált minták kis száma nem teszi lehetıvé messzemenı következtetések levonását. Azonban az elızetes eredmények azt mutatják, hogy a ballisztikai kerámia harcászati mőszaki követelményeinek pontosításához, a ballisztikai kerámia megfelelıségének igazolásához, több anyagjellemzı mellett, szükséges volna a mikrovickers keménység meghatározására is. 2. Célszerő lenne az egyik meghatározó, releváns adatnak tekinteni a mikrovickers keménységet az új- és használt kemény páncélok (kiegészítı védıbetétek) minısítésénél. 3. Szükséges pontosítani a ballisztikai kerámiák harcászati mőszaki követelményeit, mivel a kézifegyverek terén várható minıségi ugrás, átrendezıdés. 4. Idıszerő a testpáncélokra vonatkozó szabvány felülvizsgálata a NIJ 0101.06 szabványra is figyelemmel. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton kívánom megköszönni a lehetıséget, amit a Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem Anyagvizsgáló Laboratóriuma biztosított a mérések elvégzéséhez, valamint Fecsó László mk. alezredes úr segítségét. 113
A LÖVEDÉKÁLLÓ VÉDİMELLÉNY ALAPANYAGAI ÉS A DEGRADÁCIÓ VESZÉLYE Felhasznált irodalom 1. EN 843-3 4:2005; Korszerő mőszaki kerámiák. Monolitkerámiák mechanikai tulajdonságai szobahımérsékleten. 3. rész: A szubkritikus repedés növekedési jellemzıinek meghatározása állandó terhelési sebességgel végzett hajlítóvizsgálattal. 4. rész: A Vickers-, Knopp- és Rockwell-féle felszíni keménység. 2. Eur.Ing.Frank György : A lövedékálló mellény használhatósága, a degradáció lehetséges okai. V. International Symposium on Defence Technology. Apr 2008. ZMNE Budapest. 3. Eur.Ing.Frank György: Ballisztikai védıanyagok és laboratóriumi méréseik. Korszerő ballisztikai anyagok c. nemzetközi konferencia. 2008. november 18. Stefánia Palota. Budapest. 4. Eur.Ing.Frank György: Ballisztikai kerámia alkalmazása testpáncélokban karabély-és puskatöltények lövedékei ellen. Bolyai szemle. 2008. XVII. évf. 3. szám. 5. Eur.Ing.Frank György 2008. évben elhangzott elıadásai a Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetemen és a Rendırtiszti Fıiskolán 6. Eur.Ing.Frank György: A ballisztikai kerámiák alkalmassága. Biztonság. XXI. évf. 2009/1. szám 7. Eur.Ing.Frank György: Saját jegyzetek. ZMNE Ballisztikai Laboratórium. 2009. 8. U.S. Department of Justice: Ballistic Resistance of Body Armor NIJ Standard 0101.06 July 2008 9. U.S. Department of Justice: Status Report to the Attorney General on Body Armor Safety Initiative Testing and Activities. March 11., Dec. 27. 2004 és aug.24. 2005 114