해외기술

알루미나 장갑 시스템의 실제적인 요구사항

 편집부(외신)

적합한 후면 물질이 결합된 알루미나 세라믹에 기반한 장갑 시스템은 무게 제한과 위험 수준 그리고
다표적(多標的) 노출에 따른 방탄 효과에 대해 연구되어 왔다.

지난 삼십년간 세라믹 표면을 가진 구조는 가벼운 무게를 가지면서도, 효과적으로 충돌하는 물체의 투과성을 감소시킬 수 있다는 사실이 받아들여져 왔다. 알루미나는 가장 상업화 단계에 가깝게 있으며 물리적 특성이 뛰어난 경제적인 물질 중에 하나이다. 미세하게 조각난 재료의 동적 압축 파괴 에너지, 마찰과 흐름, 그리고 마모와 같은 물질의 특성은 세라믹의 투과 저항성을 지배한다. 세라믹의 기계적인 물성은 개선된 가공법을 통해 꾸준히 향상되어 왔으며 원하는 미세구조를 얻는데 이르렀다.
이중 경도 패널 장갑은 단일 장갑보다 더 효과적이다. 세라믹 재료 패널은 충돌체의 초기 충격을 받는다. 이 세라믹 재료 패널의 역할은 화합물질을 투과하려 할 때 충돌체의 앞단을 점차적으로 파괴하는 것이다.
충돌 에너지의 대부분은 이 첫 번째 단계에서 분산된다. 두 번째 단계 물질은 연성이 뛰어난 재료로 이루어진 층이다. 이 층의 주요 기능은 충돌체가 완전히 멈출 때까지 충돌체의 부서진 부분에 의해 발생하는 남아 있는 충격 에너지를 흡수하는 것이다. 이러한 에너지의 흡수는 연한 재료의 비가역 변형을 일으킨다. 이중 강도 패널 장갑의 무게는 강철로만 이루어진 장갑보다 가볍다. 이러한 조합은 특히 중소형 장갑에 그 영향이 클 것으로 예상되고 있다.
새로운 형상과 구조를 가진 재료를 사용함으로써 추가적인 성능향상을 꾀할 수 있다. 에너지 흡수 재료의 최적 디자인과 완성, 그리고 구조적인 시스템은 동적인 사건과 극한의 조건에서의 파괴 메커니즘의 이해를 통해 이루어질 수 있다. 이러한 이해는 안정적인 보호 성능을 확장하는데 핵심적이라고 할 수 있다.

충격시의 크랙 형성
Wilkins, Shockey 그리고 Sherman과 그 동료들은 충돌 파괴 과정에 대한 괄목할만한 일들을 설명하였다. Wilkins에 따르면 충돌체의 팁이 먼저 파괴된다고 한다. 그와 동시에 파괴 콘(cone)이 충돌체와 타깃사이의 계면에서 시작된다. 형성된 콘은 상대적으로 넓은 영역에 충돌체의 하중을 분산시키게 된다. 이렇게 하여 충돌 에너지가 연한 재료를 덧댄 소성 변형에 의해 사라지게 된다. 뒷판은 세라믹 표면에서 파괴가 된다. 세라믹에 유발된 장력은 뒷판이 움직임에 따라서 축방향 크랙을 만들어낸다.
Schockey와 Sherman 그리고 그 동료들에 따르면 원형 크랙의 네트워크가 타일의 바닥표면에서 형성된다. 그러고 난 후 절단 위주의 콘 크랙이 타일의 위쪽 접촉면의 가장자리에서부터 시작된다. 충격면으로 파괴 크랙이 일어난다. 투과되거나 부분적으로 투과된 세라믹 재료의 분석 결과 투과체의 선단 근처에서 분쇄 영역, Mescall 영역이라고 불리는 영역이 나타났다. 분쇄와 세라믹을 조각내는 이동 투과 저항성은 세라믹 재료의 파괴 특성에 지대한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.

미세 모델
현미경 사진을 통해 파괴 현상에 대한 통찰을 얻을 수 있으며 구조적인 모델을 개발할 수 있다. Curran과 그의 동료들은 충격 하에서의 세라믹의 분쇄와 과립 유동에 대한 미세 역학적 모델을 제시하였다. Cortes와 동료들은 수리적으로 세라믹 화합물 장갑의 충격을 모델링하였다. 연구진은 내부 마찰과 부피 팽창을 고려하여 미세하게 부서지는 세라믹을 위한 구조적인 모델을 제시하였다.
Florence는 충돌 한계를 예측할 수 있는 장갑 모델을 개발하는데 성공하였다. 모델은 세라믹이 뒷판의 넓은 면적에 부하를 분산하여 모든 충격에너지를 흡수하게 된다고 가정하였다. 이러한 고전적인 모델은 두개의 조성을 가진 장갑을 디자인하는 일반적인 가이드라인으로 사용되고 있다. 두-조성을 가진 장갑에 대한 충돌 한계를 위한 최적화는 여러 문헌에 보고된 바 있다.
그렇지 않으면, 이론적인 모델은 보수적인 경향이 있는 것으로 보일 수 있다. 연소 결과 예측하였던 값보다 높은 충격 제한을 보이는 것으로 나타났다. 몇몇 실제적인 요구사항은 의심할 여지없이 충격 특성에 영향을 준다. 예를 들어, 장갑의 표면 밀도는 전체 두께 조건에 대해서 일정하지 않다. 총알과 장갑의 상대적인 강도는 충돌 시뮬레이션에서 중요한 부분이다. 접착 층은 경량 보호 장구가 최고의 성능을 내기 위한 최적의 두께를 보여준다.
이 연구는 공정, 조립, 특정 위협 수준 관점에 초점을 맞추고 있다. 범주는 다양한 두께와 총알 속도에서 세라믹 타일이 파인 가장자리와 함께 무작위한 탄약의 충돌에 영향을 받는가를 결정하는데 제한된다. 뒷판(금속이나 폴리머와의 혼합 금속)의 효과에 대해 연구하였다. 그 결과를 수치 시뮬레이션한 결과와 비교하였다.

장갑 조성
평균 면적 800mm2, 두께가 2.5에서 10mm인 알루미나 6각형을 합성 고무 기반 시멘트를 이용, 금속 메쉬에 조립하여 아라미드 섬유의 위에 위치하도록 하였다. 조립품은 크기가 약 20×20cm2이며, 폴리에틸렌 층으로 싸여 있으며 1.5mm 두께의 철판이나 5mm 두께로 아라미드-폴리우레탄 화합물로 뒷판이 붙어 있다. 세라믹-금속과 세라믹-금속-폴리머 층 화합물 샘플이 이와 같은 방법으로 형성되었다.
샘플은 세라믹 두께(mm 단위로), 탄약 형태( 3(A) 9mm는 A, SS109는 B)에 따라 표시되었다. 일반적으로 접착제와 사용된 결합 기술을 포함한 뒷판 재료의 형태와 층 개수는 충돌 특성에 큰 영향을 준다. 그렇기 때문에, 일반적인 제품을 위해 사용된 동일한 결합 공정이 테스트 샘플에도 사용하였다.

충돌 측정
충돌 특성은 NIJ 0101.30과 NIJ 0101.04 표준에 따라 테스트되었으며, 420~430m/s 속도의 9mm 탄약과 920~
940m/s 속도의 SS109 탄약에 각각 해당하는 3A와 3 레벨을 사용하였다. 총알의 속도는 크로노그래프를 이용하여 조절하였다. 충격에 의한 외상은 목표물 되에 위치하고 있는 Roma Platilna 모델링-진흙-지원 장갑 시스템을 사용하여 측정하였다. 진흙의 손상은 장갑에 있는 손상을 복사하였다. 부서진 세라믹을 포함한 세라믹과 총알의 손상된 영역을 관찰하였다.
Fastcam-APX RS 250 KC 이미지 획득 시스템이 극초고속 충돌 침투 현상을 연구하기 위해 사용되었다. 미리 정해진 시간 간격에 순차적인 이미지를 기록하기 위해 초당 20,000프레임과 1/20000초의 셔터 속도가 프로그램 되었다. 이미지는 충돌체의 행로를 볼 수 있도록 측면으로 촬영되었다. 고속 카메라가 투명 폴리카보네이트 창으로 둘러싸여져 있어, 날아오는 파편으로부터 손상되는 것을 방지할 수 있도록 했다. 부서진 세라믹을 포함한 세라믹과 총알의 손상된 영역을 관찰하였다.
이번 연구의 모든 유한-요소 시뮬레이션은 고속, 비선형 전이 응답으로 인해 ABAQUS/Explicit 솔버를 이용하여 수행되었다. 알루미나판과 철판을 투과하는 구형 총알의 시뮬레이션을 위해 축대칭 모델을 선택하였다. 사용된 자세한 세부사항과 변수들이 예전 연구에 자세히 소개되어 있다.
이번 모델링에서, 총알은 길이 18mm의 뾰족한 형태의 단일 조각이라고 가정하였으며, 지름과 질량에서 상업적인 총알과 동일하다고 가정하였다. 한편, 장갑 판은 원거리 장(field)의 조건으로부터 영향을 최소화하기 위해 전체 30mm 길이의 지름으로 균일하게 감싸져 있다고 가정하였다. 유한한 알루미늄 타일로부터의 혼합은 실제 연구를 위해 고려되지 않았다.

3(A) 9mm 충돌 관찰
고속 카메라가 9mm 총알이 세라믹 타일과 충돌하는 것을 관찰하기 위해 사용되었다. 센서는 총알이 총구를 빠져나가 419-431m/s의 속도로 떠날 때부터 총알의 속도를 측정하였다. 각 충격 단계의 선명한 사진이 관찰되었다. 스트레스는 충격 직후 폴리에틸렌으로 감겨진 커버를 앞뒤로 흔들면서 전파되었다(50ns 이내). 강철과 비교했을 때 보다 큰 소성 압축이 한계로 인해 높은 변위를 갖는 스트레스가 상대적으로 큰 세라믹의 저항으로 인해 발생하였다.
앞쪽 표면으로부터 튀어나오는 세라믹 파편이 관찰되었다. 파편은 급속히 사방으로 퍼져나갔다. 분쇄된 세라믹 조각이 충돌체 주위를 둘러싸는 콘의 형태로 형성되었다. VDO 칩은 충격 에너지와 충격이 표면으로 확장된다는 것을 보였을 뿐만 아니라 표면으로부터 나오는 파편의 양과 속도가 두꺼운 샘플일수록 정도가 심해진다는 것을 보였다. 이는 더 많은 에너지 흡수가 일어난다는 것을 의미한다.
부딪힌 중앙과 그 주변 단일 타일의 각 샘플의 남아있는 모습을 관찰하여 국지적인 손상을 발견할 수 있었다. 그러나 뒤의 강철판은 커다랗게 솟아 있었다. 손상 깊이는 진흙 상자의 압흔으로부터 측정하였는데 알루미나의 두께에 비례하게 증가하였다. 샘플은 변형의 깊이가 25mm이상인 경우에는 완전히 뚫렸다. 이 경우에 뒤쪽 강철판에 큰 변형이 일어났다.
 Horsfall과 Buckley는 두께를 통한 전체 너비의 영향이 손상되지 않은 패널과 비교했을 때 3%만큼 충돌 한계속도를 낮춘다고 발표하였다. 이는 세라믹 장갑 타일 내에 존재하는 크랙은 패널의 교체를 요구하기에 불충분하다는 것을 의미한다. 이것은 군사적 환경에서의 손상이 우려되기 때문에 이는 매우 중요하다. 잘 부착된 화합물 앞뒤 조각 방어물로 인해 작은 성능감소가 유발된다는 이론이 제시되었다. 중요한 지점의 큰 크랙의 존재는 영향을 거의 미치지 않는다. 왜냐하면 이 영역의 세라믹은 충돌체의 앞과 충돌로 인해 이미 완전히 조각이 나 있기 때문이다. 뒷판과 깨진 방어물은 패널의 구조적 접합 상태로 보존하고 있어 충격에 의해 발생하는 원형 스트레스를 포함하는 역할을 한다.
샘플 4-A, 6-A 그리고 8-A로부터 나온 파편들은 둘러싸고 있는 덮개에 의해 고정되었다. 충돌체의 팁은 점차 사라지고 샘플에 부분적으로 투과된 총알로부터 용융된 납을 남기게 된다. 타일 두께, 흡수된 에너지에 따라 다양한 형태의 크랙을 관찰하였다. 원뿔형의 궤적을 가진 크랙이 충격지점에서부터 시작하였다. 원형 인장 크랙이 충격 추과 가까운 표면의 뒤쪽에서부터 시작되었다. 별 형태의 크랙이 원뿔형 크랙의 양쪽에 형성되었다.
인접해있는 파괴 크랙이 타일의 가장자리로부터 반사되어 콘 크랙을 형성하는 전단 응력 파에 의해 발생하였다. 뒷판 지지로부터 반사된 길이 방향 스트레스 파에 의해 측면 파괴 크랙 역시 형성되었다. 이러한 인장 또는 전단 응력에 의한 크랙은 상대적으로 낮은 스트레스에서 발생하였다. 이는 장갑의 두께가 감소할수록(4mm) 점점 중요해진다고 예상되고 있다. 반면 압축 파괴는 상당히 큰 스트레스에서 발생하였으며, 충격을 받은 몸체가 점점 두꺼워질 때 중요해지는 것으로 생각되고 있다.
고에너지 전달(8mm)을 가진 세라믹의 경우, 원형 집중 파괴가 일어나는 것으로 생각되고 있다. 세라믹의 파괴는 미립자의 상대적인 운동에 의해 비가역적인 변형을 하게 되는 미세 파우더를 형성하게 된다. 그렇기 때문에 마찰 효과는 중요하다고 생각되고 있으며, 그것이 분쇄되는 세라믹이 빗나가는 스트레스를 지지할 수 있는 이유라고 생각되고 있다. 세라믹 타일의 파괴에서 소모된 에너지는 충격에너지와 비교했을 때, 상당히 제한되어 있다. 그렇기 때문에 뚫고 들어오는 물체의 앞 재료의 파괴될 영역의 개발은 투과체를 이기기 위해 매우 중요한 일이라고 할 수 있다.
충돌 동안의 시스템의 에너지(즉 내부 에너지, 역학에너지와 전체 에너지)와 충돌 시에 다양한 시간(t)에서 변형된 메쉬(mesh)에 작용하는 von Mises 스트레스의 곡선을 플롯 하였다. 세라믹 판의 중심에서 초기 충돌 이후 첫 번째 단계에서 메쉬에는 높은 스트레스가 형성되는 것으로 나타났다. 만약 총알이 뚫고 나가지 못했을 경우에는(샘플 6-A, 8-A의 경우) 장갑이 총알 에너지의 98.5, 97.4 그리고 97.8%를 각각 흡수할 수 있는 것으로 나타났다. 반면, 샘플 4-A의 경우에는 충격에너지의 74%만이 흡수되었는데, 총알이 샘플을 뚫고 지나갔기 때문이었다. Vanichayang-kuranont와 그의 동료들은 하이라이트 된 총알과 충돌한 세라믹의 인장 강도는 실험 결과와 정량적으로 일치하게 만들기 위해 필요하다는 것을 강조하였다.

SS109 충돌 관찰
SS109 총알의 크기와 무게는 SA(9mm)와 큰 차이는 없었다. 그러나 SS109총알은 더 날카롭고 그 속도가 2배 더 빠르다. 투과체의 속도가 증가할수록 투과체와 목표물은 더 미세한 조각으로 부서져 보다 효율적인 에너지 흡수가 가능하게 한다. 목표물에 전달된 상당한 양의 에너지가 빠져나간 물체의 운동에너지로 보전되게 된다.
탈출 과정은 파괴된 세라믹을 투과체의 통과를 돕기 위해 부서진 세라믹을 치워주는 일을 한다. 부서진 영역은 응집된 스트레스 조건 때문에 투과체 앞에 형성된다. 샘플 8-B의 크랙 패턴은 8-A의 크랙 패턴보다 덜 부서져있는 형태였다. 샘플 8-B와 8-A는 단일 타일에 있는 국지화된 손상을 보여준다. 그러나 알루미나 타일 충격의 위치 차이로 인해 뒤의 강철판은 한 샘플은 완전히 뚫려있었고, 다른 샘플은 한껏 부풀어 있었다.

실험 관찰결과와 비교하기 위해 다양한 시간에서 t=0.2ms에서 축대칭적으로 변형된 강철판 프로파일의 180° 회전 사진을 준비하였다. 후에 열처리한 샘플에서 50~55mm 정도 부풀어 솟은 영역은 시뮬레이션 결과와 훌륭하게 일치하였다. 이 수치 시뮬레이션은 경계에 맞은 샘플의 경우에는 잘 맞아떨어졌으나 세라믹 타일의 중앙에 부딪힌 경우에는 일치하지 않았다.
계산 모델에서 알루미나 층이 총알로부터 오는 충돌에너지의 약 2/3는 흡수하고 나머지 1/3은 마찰 에너지로 사라질 것으로 예측하였다. 반사 스트레스파와 중첩이 일어났기 때문에  알루미나 층의 뒷판에서 장갑에 가장 심각한 손상이 일어났다. 변형 에너지와 전체 에너지 플롯에서 장갑 판이 총알로부터 오는 충돌 에너지를, 각 층의 내부 변형 에너지와 마찰에너지를 통해서 효율적으로 분산시킬 수 있음을 알 수 있었다. 총알이 충돌하는 동안의 마찰은 매우 중요하다. 그것은 전체 장갑 층에서 흡수되는 내부 변형에너지의 약 1/2에 해당된다.

이론적 모델은 보수적으로 보일 수 있다. 열처리 결과 예상한 값보다 더 높은 충돌 한계를 보였다. 8mm 알루미나로 만든 세 개중에 하나는 SS109에 의해 파괴되지 않았다. 고정된 파편의 세밀한 관찰을 통해 파괴되지 않은 샘플는 타일의 중앙을 맞은 것으로 판명되었다. 반면 파괴된 샘플은 가장자리를 맞은 것으로 드러났다. 파괴된 두 샘플에서 나온 파편의 SEM 이미지는 SS109의 경우 파괴가 거의 결정립계를 통해 이루어졌음을 확인할 수 있었다. 파편의 결정립은 표면에서 분명히 드러났으며, 통과에 큰 저항성을 제공한다. 그러나 Sa(9mm)의 경우에는 파괴면이 정확하게 정의되지 않았다.

폴리머 화합물 층은 백업 판으로 덧붙여질 수 있다. 화합물의 밀도가 상대적으로 낮기 때문에(~0.9-1.2g/cm3 vs. 2.g/cm3), 장갑 시스템의 전체적인 면적당 밀도는 낮아진다. 파괴는 보다 집중적이며, 미세한 입자들이 발생하므로 보다 뛰어난 효율을 보인다.

파괴 성능 요구사항
몇몇 실제적인 요구사항은 충돌 성능에 큰 영향을 미친다.

쪾이번 연구에 사용된 알루미나 타일은 모서리가 깎여 있다. 즉 가장자리가 중앙보다 1mm 얇다. 그러나 성능과 가공 공정을 맞바꾸는 것은 현명한 일이 아니다.

쪾접착 두께는 장갑의 성능에 세 가지 측면에서 영향을 준다. 전단 응력, 세라믹 파괴와 에너지 흡수가 그것이다. 접착제의 전단응력은 두께 층에 따라 감소하여 충돌 시에 뒷판에 세라믹 재료가 붙어있을 수 있게 고정해준다. 세라믹 파괴는 단단한 타일이 굽혀지는 것을 방지하기 때문에 얇은 접착 층을 사용할수록 감소한다. 뒤판에 의해 에너지 흡수는 두꺼운 층을 쓸수록 커진다. 그렇기 때문에 다양한 접착 층의 두께는 장갑의 효율에 영향을 미치게 된다.

쪾세라믹 타일의 충격 효율은 세라믹 타일은 폴리머 화합물이나 금속 시트를 적절히 사용하여 크게 증가시킬 수 있다. 강철은 큰 인장 상수와 큰 인장 에너지 분산 능력을 가지고 있다. 그렇기 때문에, 철판을 사용하면 충격 시에 역학 에너지를 분산시키고 타일/지지 계면으로부터 발생하는 스트레스 파의 반사를 최소화 하여 변형을 감소시킬 수 있다. 반면, 폴리머 화합물 공정은 밀도를 낮춰 뛰어난 효율을 가질 수 있도록 해준다. Cunniff는 세라믹의 제한 상태는 충격 저항성을 가지고 있고 장갑 투과 저항성을 증가시킨다는 것을 제시하였다. 자세한 내용은 다음과 같다.

강한 재료에 부착되어 있는 세라믹 타일(이번 연구에 사용된 것과 유사한 개념)은 높은 저항성을 가지고 있다. 2축 제한된 상황의 세라믹 타일은 뛰어난 충격저항성을 가지고 있다. 그리고 3축 압축 응력된 세라믹 화합물은 가장 큰 충격저항성을 가지고 있다.                                      (Ceramic Bulletin)

그림 1. 샘플 8-A를 고속 카메라(50ms)로 촬영한 사진
그림 2. 3A와 SS109 총알의 손상 깊이 vs 알루미나 두께
그림 3. 장갑 판으로 투과한 총알의 속도(V2)와 깊이(U2)
충돌이후의 판손상
그림 4. (a)솟아오른 영역 측정을 위한 t=0.02ms에서의 변형 플롯
         (b)다양한 시간에서의 강철 층 프로파일
그림 5. Pfc. Kurtis Tripp 미군이 이라크 서부 바그다드의 한 집을 수색하고 있다.
사진 제공 : 하사 Kitt Amaritnat, 미군 DoD 사진

장갑과 총알 특성