Yeni nesil kompozit seramikler ile ultra hafif personel koruma sistemleri

İnsanoğlu tarih boyunca gerek günlük hayatta, gerekse savaş anında korunma ihtiyacı hissetmiştir. Bu ihtiyacın sonucu olarak özellikle ateşli silahların kullanımı ile insan vücudunu yüksek hızlı darbeler sebebiyle oluşacak yaralanmalara karşı koruma sağlamak amacıyla "kurşun geçirmez yelek" adı altında çeşitli personel koruyucu donanımlar geliştirilmiştir. 

Tarihteki ilk koruyucu zırhların hayvan derilerinden yapıldığı görülmektedir. Medeniyetlerin zaman içerisinde gelişmesi ile birlikte zırhlarda öncelikle tahta, sonrasında Orta Çağ şövalyeleri tarafından koruyucu giysi yapımında metallerin kullanıldığı görülmüştür. Kurşun geçirmez levha 1500'lerde bilinmesine rağmen, ilk yumuşak balistik zırh 1860’larda Kore'de icat edilmiştir. 19. yüzyılın sonlarına doğru ABD'de yapılan araştırmalarda mermiyi durdurmayı başaran, ipekten kurşun geçirmez yelek üretilmiştir. İkinci Dünya Savaşı’nda ise kişisel koruyucu zırhlarda farklı alaşımlı metalik malzemeler kullanılmıştır. Ancak balistik zırh amacı ile kullanılan bu malzemelerin dezavantajı, ağırlıklarından dolayı personelin hareket kabiliyetini kısıtlamasıdır.

Personel koruma zırhlarında en önemli gelişme, güçlü ve hafif polimerik kompozit malzemelerin kullanılmasıdır. Poliamit esaslı fiber malzemeler DuPont tarafından 1960'larda "Kevlar" ticari ismiyle patentlenerek personel koruma zırhlarında kullanılmaya başlanmıştır. Aramid elyaf olarak da bilinen bu takviye malzemeleri yüksek özgül mukavemet değerine sahip olmanın yanı sıra, balistik açıdan enerjiyi sönümleme ve yüksek darbe dayanımı açısından geleneksel zırh malzemelerine göre avantajlı hâle gelmiştir. 1990’lı yıllara gelindiğinde ise ultra yüksek moleküler ağırlığa sahip polietilen (UHMWPE) lifleri balistik koruma amaçlı sistemlerde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.

Balistik koruma sistemleri, gelişen tahrip gücü yüksek mühimmat ile birlikte daha da önem kazanan bir alandır. Bu kapsamda; personel koruma sistemlerinde, hava platformlarında, "hafif zırhlılar" ve "ağır zırhlılar" olarak adlandırılan tank zırhlarındaki balistik koruma isterleri sürekli arttığından, ihtiyaçları karşılayabilecek nitelikte yeni nesil malzemelerin araştırma ve geliştirme alanında çalışmalar hızla devam etmektedir.

Geliştirilen malzemeler ve bu malzemelerin kullanıldığı personel koruma zırhları üzerinde belirli standartlar kapsamında balistik performans testleri gerçekleştirilmektedir. Yaygın olarak kabul edilen ve kullanılan uluslararası standartlar The US National Institute of Justice (NIJ) ve UK Home Office Scientific Development Branch (HOSDB) kurumları tarafından oluşturulmuştur. Bu standartlara ek olarak North Atlantic Treaty Organization (NATO) ve Türk Standartları Enstitüsü (TSE) tarafından belirlenen askerî standartlar da bulunmaktadır.

Amerikan NIJ-STD-0101.06 standardı, günümüz teknolojisinde hafif silahlara karşı koruyucu zırhlar için geliştirilen ürünlerin balistik performansının ölçümünde referans olarak yaygın olarak kabul görmüştür. Standarda bakıldığında personel koruyucu zırhlar balistik performans seviyelerine göre beş sınıfa ayrılmaktadır.

Günümüzde geleceğin savunma uygulamalarına yönelik olarak, performans ve hareket kabiliyetinden ödün vermeden hafifletme ve balistik koruma seviyesini artırmak amacıyla yapılan çalışmalar giderek artmakta ve yeni yaklaşımlar geliştirilmektedir. Yeni malzeme ve üretim yöntemleriyle tahrip gücü yüksek mermilere karşı yeni zırh sistemleri gelişimi son dönemde hız kazanmıştır. İleri teknoloji seramikler özgül ağırlıklarının düşük olması ve balistik performansının yüksek olması nedeniyle balistik koruma uygulamalarında tercih edilen malzeme grubu olarak yükseliştedir. Yenilikçi seramik malzemelerin geliştirilmesinde var olan zırh sistemlerinde kullanılan seramik malzemelerin olumsuz özelliklerini azaltarak, balistik performanslarını daha da artırmak hedeflenmektedir. Bor Karbür (B4C) diğer seramik malzemelere göre daha düşük özgül ağırlığı (2,52 g/cm3) ve yüksek sertlik değerine (32 GPa) sahip olması nedeniyle personel koruyucu yelekler içerisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak B4C seramikleri, sahip olduğu düşük kırılma tokluğu değeri (2–3 MPa.m1/2) ve Hugoniot Elastic Limit (HEL) değerinin üzerindeki dinamik basınçlarda kayma gerilmelerinde ani düşüş meydana gelmesi, başka bir deyişle camsı faz (amorflaşma) nedeniyle kırılgan davranış göstermektedir.

B4C seramiklerinin yüksek hızlarda gelen mermilere karşı şok dayanımının artırılmasına yönelik ikincil seramik fazlar kullanılarak amorflaşma bandlarının sebebiyet verdiği çatlak oluşumlarının engellenmesi sağlanabilmekte ve böylece dinamik darbe dayanımının artırılması mümkün olabilmektedir. İkincil faz olarak kullanılan farklı seramik malzemeler, B4C malzemesine göre benzer sertlik değerlerine ve daha yüksek kırılma tokluğu değerlerine sahiptir. B4C ve özgül yoğunlukları 3,5 g/cm3 olan ikincil fazların kullanılması, oluşturulan kompozit yapıda ağırlık artışına sebep olurken, tüm ilavelerin daha ucuz olması nedeniyle maliyet azaltmaktadır. Seramik malzemelerin, sahip oldukları güçlü kovalent bağlardan dolayı, sinterleme metoduyla üretimlerinde yüksek sıcaklık ve basınç değerlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Yapılan bu ilaveler sayesinde B4C seramiklerinin sinterleme kabiliyeti de geliştirilerek daha düşük sıcaklıklarda üretimi mümkün hâle gelmiştir. Bütün bunlar göz önünde bulundurularak, Roketsan Balisitk Koruma Merkezi (BKM) bünyesinde sertlik – tokluk – maliyet – hafiflik - performans ilişkisini sağlayacak optimum B4C Bazlı Kompozit Seramik (BKS) kompozisyonları tasarlanarak üretilmektedir. Roketsan tarafından üretilen BKS’nin özellikleri B4C seramikleri ile karşılaştırmalı olarak yer almaktadır.

Şekil 1’de yüksek tokluk elde edilen BKS’de çatlak saptırma mekanizmaları incelendiğinde, ikincil faz tanelerinin çatlakları ara yüzeylere saptırdığı, çatlak köprüleme ve çatlak dallanması gibi mekanizmaları sağladığı görülmektedir. Çatlak, Testler kapsamında eş kalınlıklara sahip B4C ve BKS seramiklerinin delinmesi sonrası şahit blok üzerindeki delme derinlikleri ölçülmüştür. Gerçekleştirilen ölçümler sonrası, geliştirilen BKS’nin konvansiyonel B4C seramiklerine göre delinme derinliklerini %81 oranında azalttığı görülmüştür.

Elde edilen başarılı sonuçlar kapsamında BKS’nin balistik koruyucu yelek üretiminde kullanılabileceği değerlendirilmiştir. Bu kapsamda balistik koruyucu yelek içerisinde kullanılan göğüs plakaları için BKS ile üretim yapılmıştır. Üretimi yapılan göğüs plakasına Roketsan/BKM Kapalı Balistik Laboratuvarı'nda NIJ 0101.06 Seviye IV standardına uygun ve atış noktaları 120 mm’lik eşkenar bir üçgen oluşturacak şekilde seçilen 3 adet atış ile test yapılmıştır (Şekil 3).

NIJ-0101.06 standardına göre başarım kriteri, göğüs plakalarında delinme gerçekleşmemesi ve göğüs plakası arkasına yerleştirilen ve insan vücudunu temsil eden macunun üzerinde meydana gelen çöküntü miktarının 44 mm’nin altında olması gerektiği yönündedir.

Roketsan/BKM bünyesinde geliştirilen kompozit yapıya sahip BKS’nin ticari monolitik B4C seramiklerine göre, ham malzeme maliyetleri açısından %30 oranında daha az maliyetli olduğu değerlendirilmiştir. Geliştirilen yeni BKS’nin sergilemiş olduğu üstün performans; ticari B4C seramiklerine göre daha ince bir seramik kullanımını mümkün kılmakta ve bu şekilde %20 oranında hafifleme sağlanmaktadır. BKS'den parçalı seramik şekli ile üretilen gelişmiş koruyucu yelek plakası ağırlığının 2350 gram olduğu görülmüştür.

Devam ettirilen çalışmalar ile 2200 gram ağırlığa sahip personel koruyucu yelek plakasının monoblok olarak üretiminin yapılabileceği öngörülmektedir.

Dünyada balistik koruyucu yelek içerisinde yer alan seramik göğüs plakalarının ağırlıkları yaklaşık olarak 2600-3000 gram aralığındadır. Roketsan/BKM bünyesinde gerçekleştirilen malzeme geliştirme çalışmaları kapsamında balistik koruyucu yeleğe yönelik daha düşük maliyetli ve daha iyi balistik performans sergileyen ultra hafif personel zırh sistemi geliştirilmesi yolunda önemli bir aşama kaydedilmiştir.

Kaynak: Roketsan dergisi 17.sayısı / Uzman Mühendis Gamze Uysal Sapancı / Yönetici Mühendis Dr. Ahmet Kaan Toksoy / Müdür Dr. Besim Gökçe Dara

 

 

 

 

Yorum yapın