Verteidigungstechnologie——Experimentelle Untersuchung der kugelsicheren Fähigkeiten von Kevlar mit unterschiedlichem Gewicht und unterschiedlicher Anzahl von Schichten mit 9-mm-Projektilen

2.1.Ballistisches Gel

Das Ballistikgel wurde aus geschmacksneutraler Gelatine hergestellt.Die Dichte und Konsistenz des Gels muss der des Federal Bureau of Investigation (FBI) entsprechen.Um die gleiche Konsistenz zu erreichen, sind die Anweisungen in Ref.[30] wurden befolgt und es wurde anhand der in Ref.[31].

8 Tassen (250 ml) geschmacksneutrales Gelatinepulver (etwa 1,25 kg) werden mit 8 l Wasser (1 Teil Gelatine auf 4 Teile Wasser) gemischt, bis sich das gesamte Pulver aufgelöst hat.Nachdem die Lösung in die Behälter gegossen wurde (2 × 5-l-Behälter wurden für die obige Mischung verwendet), wurden 5 Tropfen ätherisches Öl (ätherisches Zimtblattöl) über die Lösung gegossen und vorsichtig darin gerührt.Der Grund für das ätherische Öl besteht darin, dass sich die Blasen in der Lösung auflösen und dem ballistischen Gel einen verbesserten Geruch verleihen.Die Lösung wird in die Behälter gesetzt, die in einen Kühlschrank gestellt werden.Das ballistische Gel war 36 h nach seiner Herstellung gebrauchsfertig und wurde dann in Zellophanfolie eingewickelt.Ein Video, das die Details zur Herstellung des ballistischen Gels zeigt, ist unter verfügbarhttps://www.youtube.com/watch?v=0nLWqJauFEw.

Die Dichte des ballistischen Gels wurde mit 996 km/m berechnet3(99,6 % der Wasserdichte).Die durchschnittliche Dichte von menschlichem Blut, Fett und Muskel [32], was der Konsistenz des menschlichen Fleisches entspricht, beträgt 1004 kg/m3.Ein Unterschied von 0,8 % in den Dichten wird als akzeptabel angesehen, damit das ballistische Gel das Fleisch eines menschlichen Körpers nachbildet.

2.2.Kevlar Proben

In den Tests wurden drei Gewichte Kevlar-Gewebe verwendet, nämlich 160 GSM, 200 GSM und 400 GSM.Da Kevlar als gewebtes Material verwendet werden kann, könnte die höchste Festigkeit des Materials in einer 0-90-Orientierung genutzt werden.Die Proben wurden mit einer –45/+45 (quasi-isotropen) Orientierung gestapelt, die beim Aufprall mehr Energie absorbiert als 0–90 Orientierungen, die übereinander gestapelt sind [33].Die Proben, die in den Tests verwendet wurden, wurden in Vielfachen von 3 Schichten hergestellt, wobei jede Probe in der Größenordnung von 90/±45/90 geschichtet wurde.Wenn zwei oder drei Proben übereinander gelegt wurden, wurde dies so gemacht, dass die letzte Schicht einer Probe in einem Winkel von 45° zur nächsten Schicht der nächsten Probe angeordnet wurde.

Die Kevlar-Blätter wurden geteilt und in Bögen der Größe A4 geschnitten, um sie für das Zusammenbinden unter Verwendung des empfohlenen Epoxidharzes und Härters vorzubereiten.Die Proben wurden trocknen gelassen.Die Proben wurden nach dem Aushärten des Harzes geschnitten und miteinander verschraubt und für die durchzuführenden Tests in Position gebracht.

Die ballistischen Tests wurden mit zwei verschiedenen Arten von Munition durchgeführt, nämlich Vollmantelmunition (FMJ) und ummantelte Hohlspitzmunition (JHP) des Kalibers 9 mm Parabellum (kurz P oder Para).Das zum Testen der Proben verwendete Verfahren wird im Folgenden beschrieben:

• 1)

• Ein Schusswaffen-Chronograph wurde eingerichtet, um die Geschossgeschwindigkeit zu messen.Der Chronograph wurde 2 m von der Mündung der Schusswaffen entfernt platziert, um zu verhindern, dass die Mündungsflamme ungenaue Messwerte liefert.

• 2)

• Ein Basistest wurde durchgeführt, um die Geschossgeschwindigkeit direkt in das ballistische Gel zu bestimmen.Die kinetische Energiegleichung
  E=(1/2)mv2

  wurde verwendet, um die Energie und die Entfernung des Eindringens in das ballistische Gel zu bestimmen.

• 3)

• DasKevlarProben wurden dann vor dem ballistischen Gel platziert und dieses wurde 1 m vom Chronographen entfernt platziert.Der Grund für die Entfernung von 1 m besteht darin, das Worst-Case-Szenario zu replizieren, bei dem eine Person oder ein Objekt aus nächster Nähe erschossen wird.

• 4)

• Die Probe wurde geschossen, während das Projektil durch den Chronographen ging, um seine Anfangsgeschwindigkeit zu bestimmen.Danach wird die Probe durchdrungen und das Projektil im ballistischen Gel gelagert.Die Geschwindigkeiten der Tests wurden verwendet, um an zu erhaltenDurchschnittsgeschwindigkeitMesswert, der verwendet wurde, um die Werte in Schritt 2 zu aktualisieren.

• 5)

• Die Eindringstrecke in das ballistische Gel wurde gemessen und aufgezeichnet.

• 6)

• Schritt 2 wurde für jeden in den Tests verwendeten Munitionstyp wiederholt.Schritt 3 bis Schritt 5 wurden für jede Kevlar-Probe wiederholt.Ein Test mit spezifischer Munition wurde wiederholt, wenn das Projektil nicht gerade innerhalb des ballistischen Gels flog oder wenn es die Kevlar-Probe in einem Bereich durchdrang, der als strukturell nicht einwandfrei angesehen wurde.

Bei den 3-Schicht-Proben bewegten sich die 9-mm-Parabellum-FMJ-Projektile im Vergleich zu dem Fall ohne Kevlar etwas weniger.Die Hohlspitzengeschosse flogen im Vergleich zu dem Fall ohne Kevlar weiter.Das 9-mm-Parabellum-Projektil (Nummer 4) verformte sich nicht sehr, aber der Messingmantel begann, das Projektil abzureißen.

Die Tests, die mit 6 Schichten 160 GSM Kevlar durchgeführt wurden, zeigten, dass die 9-mm-Parabellum-Hohlspitzengeschosse im Vergleich zu Kevlar-Penetrationstests weiter gingen, wobei das Projektil Nr. 4 fast die gleiche Entfernung wie das FMJ-Projektil zurücklegte.

Bei den 9 Lagen 160 GSM Kevlar zeigten die entsprechenden Distanzen, die von den Projektilen im Gel zurückgelegt wurden, dass die Projektile Nr. 1, 3 und 4 weiter gingen, nachdem sie die 9 Lagen 160 GSM Kevlar passiert hatten, verglichen mit den Projektilen, die in die Ballistik geschossen wurden Gel (kein Kevlar).

Die mit 12 Lagen 160 GSM Kevlar durchgeführten Tests zeigen, dass alle Projektile im Vergleich zu 9 Lagen einen abnehmenden Trend der Eindringtiefe aufweisen.

Wie in ... gesehenAbb. 3, schwanken die Eindringtiefen der Projektile mit der Tiefe, wenn die Anzahl der Schichten zunimmt, jedoch wird in allen Fällen eine Abnahme von 9 auf 12 Schichten beobachtet.Es wurde beobachtet, dass die Hohlspitzengeschosse die Kevlarschichten durchdrangen und dabei die Hohlspitze mit dem Kevlarmaterial blockiert wurde.Sobald diese Hohlspitzengeschosse das ballistische Gel erreichen, funktionieren sie auf die gleiche Weise wie ein FMJ-Projektil.Aufgrund des oben erwähnten Grundes mit den verwendeten Kevlar-Proben drangen die Projektile weiter in das ballistische Gel ein, verglichen mit den Tests, die ohne Kevlar durchgeführt wurden.Erst als ausreichend Kevlarschichten durchdrungen waren, um ausreichend Energie zu absorbieren, zeigte das Projektil Merkmale eines verringerten Eindringens in das ballistische Gel.Diese Eigenschaft wurde in den anderen Tests mit den unterschiedlichen Kevlar-Gewichten beobachtet, wie sie in diesem Papier vorgestellt werden.

3.4.200 GSMKevlar

Die 200-GSM-Kevlar-Tests wurden mit Proben aus 3, 6, 9, 12 und 15 Schichten durchgeführt.Da 200 GSM Kevlar üblicherweise für kugelsichere Westen verwendet wird, wurde entschieden, Tests mit 15 Schichten durchzuführen.Die Ergebnisse des Eindringens in das ballistische Gel sind in gezeigtAbb. 4.

Die mit 3 Schichten 200 GSM Kevlar durchgeführten Tests zeigen, dass die 9-mm-Parabellum-FMJ-Projektile das ballistische Gel durchdrangen und die Distanzen, die sie zurücklegten, im Vergleich zu der Hülle ohne Kevlar nicht verringert wurden.Die 9-mm-Parabellum-Hohlspitzengeschosse schossen wie erwartet aus dem Boden, und beim 9-mm-Parabellum-Projektil Nr. 4 steckte der Messingmantel im ballistischen Gel, doch das Bleiprojektil fuhr fort und stoppte wie in aufgezeichnetAbb. 4.

Bei 6 Lagen 200 GSM Kevlar wurde beobachtet, dass die Eindringdistanz von Projektil 1 in das ballistische Gel abnahm, während die Projektile 2, 3 und 4 im Vergleich zum Fall ohne Kevlar weiter in das ballistische Gel eindrangen.

Die Tests, die mit 9 Lagen 200 g/m² Kevlar durchgeführt wurden, zeigen, dass Projektil Nummer 2 weiter in das ballistische Gel eingedrungen ist, verglichen mit der Hülle ohne Kevlar.Es wurde beobachtet, dass die Projektile 3 und 4 Kevlar in der Hohlspitze blockiert hatten, was verhinderte, dass sie aufsprangen.Die Projektile 3 und 4 drangen weiter in das ballistische Gel ein, nachdem sie 9 Schichten aus 200 g/m² Kevlar durchdrungen hatten, verglichen mit dem Fall ohne Kevlar.

Bei den mit 12 Lagen 200 GSM Kevlar durchgeführten Tests wurde beobachtet, dass die 9-mm-Parabellum-FMJ-Projektile Nr. 1 und 2 nach dem Durchdringen einen flacheren Kopf hatten.Projektil Nummer 4 wurde, obwohl es mit der mit Kevlar blockierten Hohlspitze nicht viel aufsprang, im Kopf stärker abgeflacht.Projektil Nummer 3 wuchs nicht viel, aber es gab Anzeichen dafür, dass die Spitze des Kopfes deformiert war.

Bei den Tests, die mit 15 Lagen 200 GSM Kevlar durchgeführt wurden, zeigten beide FMJ-Projektile Anzeichen von Pilzbildung.Die Projektile Nr. 1 und 2 zeigen eine Verringerung der Eindringtiefe in das ballistische Gel im Vergleich zu dem Fall ohne Kevlar.Im vorliegenden Fall wurden die Geschosse 3 und 4 durch die Kevlarschichten gestoppt.

Wie in ... gesehenAbb. 4Wenn die Mittelwerte zwischen den Punkten betrachtet werden, scheint dies einen linearen Gradienten mit abnehmender Penetration in das ballistische Gel anzuzeigen, der auftritt, sobald eine Spitze bei ungefähr 6 Schichten von 200 GSM Kevlar erreicht wurde.Das 200 GSM Kevlar zeigt erwartungsgemäß eine bessere Leistung im Vergleich zum 160 GSM Kevlar.Bei 15 Schichten des 200 GSM Kevlar wurden die Projektile Nr. 3 und 4 gestoppt, aber nicht die Projektile Nr. 1 und 2. Nach dem durchschnittlichen Gefälle wird geschätzt, dass die Projektile Nr. 1 und 2 mit möglicherweise 18 und 21 Schichten gestoppt werden 200 GSM Kevlar.

• Die 400-GSM-Kevlar-Tests wurden mit Proben aus 3, 6, 9 und 12 Schichten durchgeführt, wie die Ergebnisse in zeigenAbb. 5.

4. Analyse und Diskussion der Ergebnisse

Abb. 6zeigt den Vergleich der Eindringtiefen verschiedener Projektile in 3 Lagen 160 GSM, 200 GSM und 400 GSM Kevlar.Wie in ... gesehenAbb. 6Bei den 9 mm Parabellum Hohlspitzgeschossen stoppten 3 Lagen 200 GSM Kevlar die Geschosse auf kürzestem Weg.3 Schichten aus 400 GSM und 160 GSM Kevlar stoppten die Projektile 1 bzw. 2 am meisten.

Abb. 7,Abb. 9weisen darauf hin, dass es keine ähnlichen Eigenschaften mit unterschiedlichen Projektilen für zwei unterschiedliche Anzahlen von Schichten mit ähnlichem GSM gibt.Ein Beispiel sind 12 Lagen 200 GSM Kevlar und 6 Lagen 400 GSM Kevlar.Beide dieser Proben haben jeweils insgesamt 2400 GSM Kevlar.Beim Vergleich dieser beiden unterschiedlichen Proben verringern sie den Abstand der Projektile nicht um einen ähnlichen Betrag.Ähnliche Korrelationen und Schlussfolgerungen können aus 3 Lagen 400 GSM Kevlar und 6 Lagen 200 GSM Kevlar beobachtet werden.Jeder dieser Fälle hat 1200 GSM-Proben, aber keine ähnlichen Eigenschaften in den Ergebnissen.

Durchschnittskurven für Projektile 1 und 2, dargestellt inAbb. 4, zeigen an, dass die Projektile mit 6 bzw. 7 Vielfachen von 3 Schichten des 200 GSM Kevlar stoppen würden (dh 18 und 21 Schichten des 200 GSM Kevlar).Es gibt einen Trend, dass ungefähr die doppelte Anzahl von Kevlarschichten erforderlich ist, im Vergleich zu dem tatsächlich beschädigten Kevlar, um die Projektile zu stoppen.Mit 18 und 21 Lagen 200 GSM Kevlar wird es dazu führen, dass die Projektile 1 und 2 in ungefähr 9 und 10 Lagen Kevlar stoppen.Diese Anzahl von Schichten korreliert mit der Anzahl von Kevlarschichten, die handelsübliche kugelsichere Westen nur aus Kevlar enthalten.

Einige Artikel für Ihre Referenz:

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/military-vip-police-concealable-light-weight.html

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/high-quality-military-use-tactical-armor.html

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/military-ballistic-nij-iiia-pe-or-kevlar.html

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/bulletproof-vest-fdy3r-sk15.html

Videos als Referenz:

https://www.youtube.com/watch?v=Zc-HYAXSaqs

https://www.youtube.com/watch?v=YtBaebU7CTw

5. Schlussfolgerungen

Vergleiche von 160 GSM, 200 GSM und 400 GSMKevlarunter ballistischem Aufprall wurden mit den ballistischen Tests durchgeführt, die mit 9-mm-Parabellum-Munition und mit unterschiedlicher Anzahl von Kevlar-Schichten durchgeführt wurden.Es wurde beobachtet, dass einige Lagen Kevlar die Projektile nicht wirksam stoppen, sondern die Projektile dazu zwingen, weiter in das ballistische Gel einzudringen.Erst wenn die Anzahl der Schichten erhöht wurde, wurde die Abnahme der Projektildurchdringung in das ballistische Gel beobachtet.Der Grund für diese Penetrationsspitze, insbesondere bei den Hohlspitzenprojektilen, lag darin, dass sich das Loch mit Kevlar-Material füllte und es als FMJ-Projektil leistungsfähig machte.Ähnliche gemittelte negative Gradienten wurden zwischen den FMJ- und den Hohlspitzprojektilen beobachtet, sobald der Höhepunkt erreicht wurde.

Fasst man die Beiträge dieser Arbeit zusammen, so lässt sich festhalten:

• 1)

• Die Wirksamkeit verschiedener Schichten von 160 g/m², 200 g/m² und 400 g/m² Kevlar, die mit ballistischem Gel beschichtet waren, wurde untersucht, und es wurde festgestellt, dass 200 g/m² Kevlar wirksamer zum Stoppen eines 9-mm-Parabellum-Projektils war.

• 2)

• Es wurde festgestellt, dass es keine lineare Beziehung zwischen zwei verschiedenen Kevlar-Typen mit unterschiedlichen Gewichten (z. B. 200 GSM und 400 GSM Kevlar) gibt, die so geschichtet sind, dass sie das gleiche kombinierte Gewicht haben.

• 3)

• Vier verschiedene Arten von 9-mm-Parabellum-Munition wurden getestet, und ihre Eindringtiefen in das ballistische Gel wurden für verschiedene Kevlar-Schichten identifiziert.

• 4)

• Es wurde festgestellt, dass für eine 9-mm-Parabellum-Munition, die weltweit am häufigsten verwendet wird, mindestens 21 Lagen 200-GSM-Kevlar erforderlich sind, um das Projektil zu stoppen.Es wird vorgeschlagen, als Sicherheitsvorkehrung einen zusätzlichen Sicherheitsfaktor einzubeziehen, da die Penetration auch vom Projektilprofil abhängt.

Basierend auf den oben präsentierten Ergebnissen für die Eigenschaften von Kevlar-Schichten unterschiedlichen Gewichts hofft man, dass diese Eigenschaften verwendet werden können, um sichere und effektive kugelsichere Westen zu entwickeln und zu entwerfen.

Der allgemeine Trend, dass die doppelte Menge an Kevlar-Schichten im Vergleich zur tatsächlichen Menge an beschädigten Schichten benötigt wird, wäre es wert, in weiteren Untersuchungen mit unterschiedlicher Munition untersucht zu werden.Zukünftige Forschungen könnten auch den Durchschlagseffekt aufzeigen, den Projektile und Munition kleineren Kalibers auf Kevlar im Vergleich zu 9-mm-Para-Munition haben.In ähnlicher Weise wird zukünftige Forschung in der Lage sein, festzustellen, wie verschiedene Munition und Projektile 200 GSM Kevlar durchdringen, wie das Kevlar, das nur in kugelsicheren Westen verwendet wird.Mit den Eigenschaften, die bei den Hohlspitzenprojektilen beobachtet wurden, die tiefer in das ballistische Gel eindringen, nachdem die Hohlspitze mit Kevlar blockiert wurde, würden zukünftige Untersuchungen es ermöglichen, festzustellen, ob ein ähnlicher Effekt in einem Szenario auftreten würde, in dem das Projektil Kleidung durchdringt, bevor es in Fleisch eindringt .

Danksagungen

Die Forschung wurde teilweise finanziert durch dieNationale Forschungsstiftung.Den folgenden Unternehmen und Einzelpersonen wird für ihre Unterstützung, Anleitung und Nutzung ihrer Einrichtungen in alphabetischer Reihenfolge gedankt: Borrie Bornman, John Evans, Firearm Competency Assessment and Training Center (+27 39 315 0379;fcatc1@webafrica.org.za), Henns Arms (Waffenhändler und Büchsenmacher;www.hennsarms.co.za;info@hennsarms.co.za), River Valley Farm & Naturschutzgebiet (+27 82 694 2258;https://www.rivervalleynaturereserve.co.za/;info@jollyfresh.co.za), Marc Lee, David und Natasha Robert, Simms Arms (+27 39 315 6390;https://www.simmsarms.co.za;simmscraig@msn.com), Southern Sky Operations (+27 31 579 4141;www.skyops.co.za;mike@skyops.co.za), Louis und Leonie Stopforth.Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Meinungen der Autoren in diesem Dokument nicht notwendigerweise die Meinungen der oben genannten Unternehmen, Organisationen und Einzelpersonen sind.Die Autoren erhielten keinen finanziellen Gewinn für die durchgeführten Tests.