Zırh delici hafif silah mühimmatına dayanıklı kompozit zırh geliştirilmesi

İnsanların yaşama içgüdüsü sebebi ile dış etkenlerden korunma ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Zaman içerisinde çeşitli malzemeler ile kendilerini dış tehditlere karşı korumaya çalışmışlardır. Bu malzemeler insanlığın bilimsel ve teknolojik seviyelerine paralel hatta onun önünde gelişim sağlamıştır. Çünkü yaşama içgüdüsü insanları kendilerini koruyacak yeni, etkili ve güvenli malzemeler araştırmaya ve geliştirmeye sevk etmiştir. Deri, tahta, taş gibi malzemelerle başlan süreç zaman içerisinde metallerin keşfi ile bakır, pirinç, demir ve çelik olarak gelişmiştir. Günümüz dünyasında zırh teknolojisinde seramik malzemeler, kompozit malzemeler ve alaşım çelikler önemli bir yer tutmaktadır. Çelik malzemeler zırh yapımında en büyük paya sahip olmaya devam etmektedir. Bunun yanında kompozit malzemeler farklı malzemelerin olumlu yanlarını bir araya getirerek hepsinden daha verimli bir malzeme geliştirmeyi hedeflemektedir. Özellikle insanların kişisel korunmalarında seramik ve kompozit malzemeler hafiflikleri sebebi ile en büyük paya sahiptir. Örneğin kevlar benzeri elyaflar hem balistik korumada hem de iş sağlığı ve güvenliği alanında yoğun olarak kullanılmaktadır. Özellikle askeri personelin kişisel korumasında çelik levhalara göre ağırlığının düşük ve hareket kısıtlamasının daha az olması muharebe sahasında çok önemli avantajlar oluşturmaktadır. Üretim maliyetlerinin yüksek olmasına rağmen avantajlarının fazlalığı sebebi ile yoğun kullanımı devam etmektedir. Bu çalışmada, farklı malzemelerden oluşan kompozit zırhın performansının sadece çelik malzemelerin yapıştırılması ile elde edilen kompozit zırh arasındaki farklılıklarının araştırılması hedeflenmiştir. Kompozit zırh 3 elemanlı ve 4 katmanlı olarak tasarlanmıştır. Kullanılan malzemeler özel işlem gerektirmeyen piyasadan hazır olarak temin edilebilen ürünlerden seçilmiştir. Ön ve arka katmanda piyasada serleştirilmiş olarak satılan Ck75 çelik sac, birinci ara katmanda Al 7075 sac ve ikinci ara katmanda yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) malzemeler kullanılmıştır. Kullanılan çelik sacın nispeten yüksek sertliğinin yanında tokluğunun da yüksek olması merminin ve çelik çekirdeğin malzemeyi kesme ve eğilmeye zorlayarak enerjisini sönümlemesine olanak tanıyacaktır. Çelik malzeme 1245 MPa ortalama akma mukavemetine sahiptir. Malzemenin ortalama sertliği 42 HRC olarak ölçülmüştür. Al 7075 malzeme T6 ısıl işlem kalitesinde olup alüminyumlar içerisinde yüksek mukavemet ve orta tokluk değerleri içerisinde öne çıkmaktadır. Bu malzemenin amacı çeliğe göre yüksek olan tokluğu ile merminin enerjisini sönümlemeye yardımcı olmaktır. Bunun yanında sertliği ile de mermiyi durdurmaya destek olacaktır. Alüminyum malzeme 470 MPa ortalama akma mukavemetine sahiptir. HDPE özgül ağırlığının düşük darbelere direncinin yüksek olması sebebi ile zırhta sönümleme elemanı görevini üstlenmektedir. Malzemelerin yapıştırılması için epoksi yapıştırıcı tercih edilmiştir. Seçilen epoksi yapıştırıcı darbe anında katmanları bir arada tutacak kadar mukavemetli aynı zamanda eğilme esnasında malzemelerle beraber esneyecek yapıda olacak şekilde seçilmiştir. Testlerde kullanılacak zırh delici mühimmat 7,62 mmx51 M61 fişeğidir. Bu fişek 7.62 mmx51 piyade tüfeklerinde ve makineli tüfeklerde kullanılmakta olup hafif zırhlı hedeflere atılmaktadır. Bu mühimmatın mermisi FMJ (Full Metal Jacket, Tam Metal Gömlekli) tipindedir. Bakır veya yumuşak çelikten dış gömleğin içerisine kurşun gömlekli sertleştirilmiş çelik çekirdek bulunmaktadır. Çelik çekirdeğin zırh delme kabiliyetini arttırmak için ucu sivridir. Hazırlanan zırhların başarılı sayılabilmesi için çelik çekirdeğin zırhı sıfırdan yüksek bir hızla terk etmesi gerekmektedir. Bu nedenle bir kısmı delinen, hatta tamamını delinen zırhlar mermi zırhı terk etmedi ise başarılı sayılmışlardır. Askeri şartnamelerde de başarı kriteri bu şekildedir. İlk deney olarak Ck75 saclar farklı kalınlıklarda yapıştırılarak hangi kalınlıkta mermiyi durdurabildiği test edilmiştir. Burada 15 mm kalınlıktan başlanarak 1 mm azaltma ile testler yapılmıştır. 11 mm kalınlığındaki zırh çelik çekirdeği durdurmuş 10 mm kalınlığındaki zırh delinmiştir. Bu sebeple çelik zırh için 11 mm referans alınmıştır. Bu durumda zırhın alan yoğunluğu 8,58 g/cm2 olarak hesaplanmıştır. Daha sonra 4 katmanlı kompozit yapılarla 3 farklı deney setleri hazırlanmıştır. Bu deney setlerinde ön katman birinci ara katman ve arka katman kalınlıklarının zırh performansına etkileri gözlemlenmiştir. Birinci deney setinde ilk üç katman sabit tutulup arka katmanın etkisi incelenmiştir. Ön katman 4 mm çelik, birinci ara katman 7 mm Al7075, ikinci ara katman 10 mm HDPE ve arka katman 4 mm çelikten 1 mm kalınlık azaltılarak testler yürütülmüştür. Arka katmanın 2 mm olduğu numune başarılı olmuştur. Bu durumda zırhın alan yoğunluğu 7,58 g/cm2 olarak hesaplanmıştır. İkinci deney setinde birinci ara katmanın farklı kalınlıklarının zırh performansına etkileri incelenmiştir. Ön katman 3 mm çelik, birinci ara katman 11,2 mm Al7075'den başlayarak 1,4 mm azaltarak, ikinci ara katman 10 mm HDPE ve arka katman 3 mm çelik olacak şekilde testler yürütülmüştür. İkinci ara katmanın 8,4 mm olduğu numune başarılı olmuştur. Bu durumda zırhın alan yoğunluğu 7,98 g/cm2 olarak hesaplanmıştır. Üçüncü deney setinde ön katman farklı kalınlıklarda diğer katmanlar sabit tutulup zırhın performansı incelenmiştir. Ön katman 4 mm çelikten başlayarak 1 mm azaltılarak, birinci ara katman 7 mm Al7075, ikinci ara katman 10 mm HDPE ve arka katman 4 mm çelik olacak şekilde testler yürütülmüştür. Ön katmanın 3 mm olduğu numune başarılı olmuştur. Bu durumda zırhın alan yoğunluğu 8,37 g/cm2 olarak hesaplanmıştır. Her numunenin alan yoğunluğu hesaplanarak sadece çelikten oluşan kompozit zırh ile karşılaştırılmıştır. En başarılı numune ön katman kalınlığının 4 mm ve arka katman kalınlığının 2 mm olduğu numune olmuştur. Burada yapılan testlerde ön katmanın önemi ortaya çıkmıştır. Çelik malzeme miktarının toplam zırh içerisindeki miktarı tek başına önemli olmayıp ön ve arka katman arasındaki dağılımı da zırhın performansını etkilemektedir. Ön katmanda kalın çelik kullanımı merminin uç sivriliğini bozmakta ve mermiye uygulanan direnci arttırmaktadır. Yapılan testlerde alan yoğunlukları karşılaştırıldığında en başarılı numunenin sadece çelik numuneye göre %11.6 ağırlık tasarrufu sağladığı görülmüştür. Bu oran kişisel korunma için anlamlı olmayıp araç veya binaların zırhlandırılmasında anlam kazanabilecek bir değerdir.