나노 실리카 분산계가 함침된 고강도 섬유의 마찰효과가 방탄특성에 미치는 영향

Abstract

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.