استجابة تأثير الطلقات والسقوط لصفائح مركبة هجينة من نسيج نباتي من الكتان/القنب مدمجة بشبكة فولاذية SS304

لماذا تهم الدروع الأخف وزنًا

من السترات الواقية من الرصاص إلى المركبات المدرعة، تعتمد معدات الحماية في كثير من الأحيان على معادن ثقيلة تزيد الوزن وتزيد من استهلاك الوقود. تستكشف هذه الدراسة ما إذا كان يمكن لطبقات من الألياف النباتية المدمجة بشبكة فولاذية رقيقة أن تنتج ألواحًا أخف تظل قادرة على تحمل الصدمات الشديدة والمقذوفات عالية السرعة. لأولئك المهتمين بسيارات أكثر أمانًا أو معدات عسكرية أو مواد أكثر صداقة للبيئة، تقدّم الدراسة لمحة عن كيفية مساهمة ألياف الطبيعة في إعادة التفكير في مفهوم الدروع.

بناء الحماية من النباتات والفولاذ

صمّم الباحثون ألواحًا على شكل سندويتش باستخدام ألياف الكتان والقنب الملتصقة براتنج إيبوكسي، مع شبكة دقيقة من الفولاذ المقاوم للصدأ (SS304) مخبأة بالداخل. صنعوا نسختين. في الأولى، المسماة S1، جلست الشبكة المعدنية بين طبقتين من قماش الكتان. في الثانية، S2، قاموا بخطوة إضافية ونسجوا خيوط الكتان والقنب مباشرة عبر الشبكة الفولاذية قبل إضافة الطبقات الخارجية من الكتان. كان هدف هذا النسج الإضافي ربط الطبقات المعدنية والنباتية معًا بشدّة أكبر، بحيث تتشارك الصدمات وتتباطأ بدلاً من التسبب في تشققات مفاجئة.

اختبار الألواح بالسقوط

لمعرفة كيفية تعامل هذه الألواح مع الضربات اليومية، مثل الأجسام الساقطة أو التصادمات منخفضة السرعة، استخدم الفريق جهاز سقوط وزن. تم إسقاط مُؤثِّر ثقيل من ارتفاعين 0.5 و1 متر على عينات مربعة صغيرة. سجّلت المستشعرات كيف تغيّرت القوة والطاقة أثناء الاصطدام، وفحص الباحثون الانبعاجات والأضرار الداخلية على الواجهتين الأمامية والخلفية. عند ارتفاع السقوط الأدنى، أظهرت التصميمات كلاهما انبعاجات ضحلة فقط، لكن النسخة المنسوجة S2 أظهرت باستمرار انبعاجات أصغر قليلًا وأضرارًا مرئية أقل. عند الارتفاع الأعلى، انتشرت الأضرار على نطاق أوسع، خاصة على السطح الخلفي، ومع ذلك ظلت S2 تُظهر مناطق متشققة ومفصولة أصغر من S1، مما يعني أنها وزّعت الضربة بشكل أكثر فعالية.

مواجهة المقذوفات عالية السرعة

يجب أن تتعرض الدروع الحقيقية لأكثر بكثير من أدوات السقوط، لذا أطلق الباحثون أيضًا مقذوفات صغيرة نصف كروية بسرعة عالية باستخدام نظام مدفع غازي. التقطت كاميرات عالية السرعة سرعات المقذوفات قبل وبعد اختراق الألواح، مما مكّن الفريق من حساب مقدار الطاقة التي امتصها كل لوح. مرة أخرى، تفوّقت عينات S2 المنسوجة على S1. قامت S2 بإبطاء المقذوفات أكثر، ممتصة حوالى 19 بالمئة طاقة إضافية. أوضح الفحص المجهري كيف حدث ذلك. في S1، كانت الأضرار حادة وهشة، مع انكسارات ألياف نظيفة ومناطق فصل كبيرة. في S2، امتدت خيوط الكتان والقنب المنسوجة، وانسحبت ورافعت الشقوق، بينما انحنى الشبك الفولاذي وحصر الأضرار، مُنشئًا مسار فشل تدريجي يستهلك طاقة أكبر.

كيف يغيّر النسج طريقة فشل الألواح

من خلال النظر إلى حجم الانبعاجات، وانتشار الشقوق الداخلية، ومقدار المادة المفقودة، رسم الفريق سلسلة الأحداث أثناء الاصطدام. في كل من الاختبارات منخفضة السرعة والبالستية، بدأت الأضرار بشقوق دقيقة في الراتنج بين الألياف، ثم بدأت الطبقات في الانفصال، وأخيرًا انكسرت الألياف أو انسحبت. في التصميم غير المنسوج، حدثت هذه الخطوات بسرعة وبشكل محلي. في التصميم المنسوج، خلقت خيوط الكتان والقنب المتشابكة العديد من الجسور الصغيرة بين الطبقات، ما ساعد على حمل الأحمال عبر اللوح. عملت الشبكة الفولاذية كقفص رقيق، ناشرة الإجهادات جانبياً ومنعت الشقوق من التسارع عبر كامل السُمك. نتيجة لذلك، امتصت ألواح S2 ما بين 20–25 بالمئة طاقة صدمية أكثر لكل وحدة كتلة مقارنة بـS1 وواجهت أحجام ضرر أقل وفقدان كتلة أدنى.

ماذا يعني هذا لمستقبل الدروع

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن الترتيب الذكي والنسج يمكن أن يجعل أنظمة الحماية الأخف والأكثر استدامة أكثر فاعلية. من خلال الجمع بين ألياف نباتية متجددة وشبكة من الفولاذ المقاوم للصدأ الدقيقة ونسجها بعناية، صنع الباحثون ألواحًا تُدير الضربات عبر تلف مُتحكم ومتدرّج بدلاً من تفتّت مفاجئ. تُظهر هذه الهياكل الهجينة من الكتان–القنب–الفولاذ وعدًا كبدائل خفيفة الوزن للدرع التقليدي المصنوع كليًا من المعدن أو التركيبات الصناعية بالكامل في المركبات، وقطع الطائرات، والألواح الواقية، موفرة مسارًا نحو تصاميم مقاومة للصدمات أكثر أمانًا واستدامة.

الاستشهاد: Elayaraja, R., Rajamurugan, G. Ballistic and drop-weight impact response of SS304 metal mesh embedded woven flax/hemp fiber hybrid composites. Sci Rep 16, 15835 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44055-w

الكلمات المفتاحية: مركبات الألياف الطبيعية, الحماية البالستية, هجينة كتان قنب, درع خفيف الوزن, مقاومة الصدمات