Production process and experimental testing of FML under high-velocity impacts

In this thesis, the issue of high velocity impact in FML is addressed. Firstly the entire production process is investigated for GLARE, ARALL and the Titanium-based hybrid specimens considered, with special emphasis on surface treatments of metal layers. Such layers have been subjected to anodization, an electrochemical process whose final goal is to provide the treated material with enhanced corrosion resistance and better adhesion capabilities with the adjecent layers; the treatment was performed by "Argos ST" company by means of a sulfuric acid solution, that ended up being satisfactorily effective on Aluminium, not as much on Titanium, due to a considerably lower electrical conductivity. Once the metal layers have been processed as such, a careful hand-layup operation was conducted to stack the preimpregnated layers and the metallic ones on top of each other, in order to build the configuration designed. The final step of the production process consisted on the curing process, carried out inside the autoclave; at high temperature and pressure, the resin inside the laminate hardened, providing the plate with the stiffness and stability needed. This process was carried out at the PoliMi Technological Lab. As the production phase came to an end, the experimental campaign started; provided with the use of a light-gas gun, a Phantom camera, and overall a tried-and-tested experimental equipment, collocated in LaST, a PoliMi lab dedicated to crash tests, numerous tests were carried out by shooting 25-grams steel spheres, safely stored inside a 3D-manufactured sabot, against the previously fabricated plates, at a speed range between 90 m/s and 160 m/s. The final goal of such tests is to evaluate and compare the resistance to perforation of the several configurations at hand, comparing the results obtained by the conventional GLARE and ARALL plates and the original Titanium-based ones. Such comparison is based on the evaluation of the initial speed of the impacting projectile, the energy absorbed and the possible exiting speed, in case of perforation of the tested specimen, starting from which it is possible to estimate the ballistic limit. A thorough post-mortem visual analysis of the specimens took place; it allowed to identify the deformations the plates incurred into, as well as the defects present in the impacted laminates.

In questa tesi, viene affrontato il problema dell’impatto ad alta velocità nei FML. In primo luogo, viene esaminato l’intero processo di produzione per i campioni ibridi GLARE, ARALL e a base di Titanio considerati, con particolare enfasi sui trattamenti superficiali degli strati metallici. Tali strati sono stati sottoposti ad anodizzazione, un processo elettrochimico il cui obiettivo finale è fornire al materiale trattato una maggiore resistenza alla corrosione e migliori capacità di adesione con gli strati adiacenti; il trattamento è stato eseguito dalla società "Argos ST", mediante una soluzione di acido solforico, che si è rivelata piuttosto efficace sull’Alluminio, ma meno sul Titanio, a causa di una conduttività elettrica significativamente inferiore. Una volta trattati gli strati metallici, è stata condotta un’attenta operazione di stratificazione manuale per impilare gli strati preimpregnati e quelli metallici l’uno sull’altro, al fine di costruire la configurazione progettata. L’ultima fase del processo di produzione è consistita nel processo di polimerizzazione, eseguito all’interno dell’autoclave; ad alta temperatura e pressione, la resina all’interno del laminato si è indurita, conferendo alla lastra la rigidità e la stabilità necessarie. Questo processo è stata svolta presso il Laboratorio Tecnologico del PoliMi. Terminata la fase di produzione, è iniziata la campagna sperimentale; utilizzando un cannone a gas leggero, una telecamera Phantom e in generale un’attrezzatura sperimentale collaudata, collocata nel LaST, un laboratorio del PoliMi dedicato ai crash test, sono stati effettuati numerosi test sparando sfere di acciaio da 25 grammi, conservate in modo sicuro all’interno di un sabot realizzato in 3D, contro le piastre precedentemente fabbricate, a una velocità compresa tra 90 m/s e 160 m/s. L’obiettivo finale di tali test è valutare e confrontare la resistenza alla perforazione delle varie configurazioni considerate, confrontando i risultati ottenuti con le piastre convenzionali GLARE e ARALL e quelle originali a base di Titanio. Tale confronto si basa sulla valutazione della velocità iniziale del proiettile impattante, dell’energia assorbita e della possibile velocità di uscita, in caso di perforazione del campione testato, a partire dalla quale è possibile stimare il limite balistico. È stata inoltre condotta un’accurata analisi visiva post-mortem dei campioni; questa ha permesso di identificare le deformazioni subite dalle piastre, nonché i difetti presenti nei laminati impattati.