تطبيق كربيد السيليكون وكربيد البورون وغيرها من السيراميك المتقدم في مجال مضاد للرصاص

استخدام كربيد السيليكون وكربيد البورون وغيرها من السيراميك المتقدم في المجال المضاد للرصاص

السيراميك العادي هش.ومع ذلك ، فإن السيراميك المتقدم الذي تتم معالجته بواسطة العلوم والتكنولوجيا الحديثة أصبح مادة جديدة صلبة وعالية القوة ، خاصة في مجال مضاد للرصاص مع متطلبات أداء فيزيائية خاصة للمواد.أصبح السيراميك مادة شائعة جدًا مضادة للرصاص.

01 مبدأ مقاومة الرصاص لمواد السيراميك
المبدأ الأساسي لحماية الدروع هو استهلاك طاقة المقذوفات وإبطاء القذيفة وجعلها غير ضارة.تمتص معظم المواد الهندسية التقليدية ، مثل المواد المعدنية ، الطاقة من خلال تشوه البلاستيك للهيكل ، بينما تمتص مواد السيراميك الطاقة من خلال عملية التكسير الدقيقة.

1

يمكن تقسيم عملية امتصاص الطاقة للسيراميك المضاد للرصاص تقريبًا إلى ثلاث مراحل:
(1) مرحلة التأثير الأولي: تصطدم القذيفة بسطح السيراميك ، مما يجعل الرأس الحربي غير حاد ، وتمتص الطاقة في عملية تكسير سطح السيراميك لتشكيل منطقة شظية صغيرة وصلبة ؛
(2) مرحلة التآكل: يستمر المقذوف غير الحاد في تآكل منطقة الشظايا ، مكونًا طبقة شظية من السيراميك المستمر ؛
(3) مراحل التشوه والتصدع والكسر: أخيرًا ، يتم إنشاء إجهاد الشد في السيراميك لكسر السيراميك ، ثم يتم تشويه اللوحة الخلفية.يتم امتصاص الطاقة المتبقية من خلال تشوه مادة اللوحة الخلفية.في عملية اصطدام المقذوف بالسيراميك ، يتضرر كل من المقذوف والسيراميك.

02 متطلبات السيراميك المضاد للرصاص على خواص المواد
بسبب هشاشة السيراميك نفسه ، فإنه سوف ينكسر بدلاً من تشوه البلاستيك عند تأثره بالقذيفة.تحت حمل الشد ، يحدث الكسر أولاً في أماكن غير متجانسة مثل المسام وحدود الحبوب.لذلك ، من أجل تقليل تركيز الإجهاد الدقيق ، يجب أن يكون الخزف المدرع من السيراميك عالي الجودة مع مسامية منخفضة (تصل إلى 99 ٪ من الكثافة النظرية) وبنية حبيبات دقيقة.

أداء المواد وتأثيره على الأداء المقاوم للرصاص.

أداء

التأثير على الأداء المضاد للرصاص

كثافة

كتلة نظام الدروع

صلابة

مدى تدمير المقذوفات

معامل المرونة

انتقال موجة الإجهاد

قوة

أداء مكافحة الضربات المتعددة

وضع الكسر

أداء مكافحة الضربات المتعددة

صلابة الكسر (بين البلورات أو عبر الحبيبية)

القدرة على امتصاص الطاقة

المجهرية

يؤثر حجم الحبوب ، المرحلة الثانية ، تحويل الطور أو عدم الشكل ، المسامية ، إلخ ، على جميع الخصائص.

 

03 أكثر المواد الخزفية المقاومة للرصاص شيوعًا
منذ القرن الحادي والعشرين ، تطور السيراميك المضاد للرصاص بسرعة مع العديد من الأنواع ، بما في ذلك أكسيد الألومنيوم ، وكربيد السيليكون ، وكربيد البورون ، ونتريد السيليكون ، وبوريد التيتانيوم ، وما إلى ذلك ، من بينها سيراميك أكسيد الألومنيوم (Al2O3) ، سيراميك كربيد السيليكون (SiC) ، و يعتبر سيراميك كربيد البورون (B4C) الأكثر استخدامًا.
كثافة سيراميك الألومينا هي الأعلى ، لكن الصلابة منخفضة نسبيًا ، وعتبة المعالجة منخفضة ، والسعر منخفض.وفقًا للنقاء ، يتم تقسيم سيراميك الألومينا إلى 85/90/95/99 ، ويتم أيضًا زيادة الصلابة والسعر المقابل.

مادة

الكثافة كجم / م 3

معامل المرونة GN / m2

HV

السعر بالنسبة للألومينا

كربيد البورون

2500

400

30000

× 10

الألومينا

3800

340

15000

1

ثنائي بوريد التيتانيوم

4500

570

33000

× 10

كربيد السيليكون

3200

370

27000

× 5

أكسيد البريليوم

2800

415

12000

× 10

B4C / SiC

2600

340

27500

× 7

الأواني الزجاجية والسيراميك

2500

100

6000

1

نيتريد السيليكون

3200

310

17000

× 5

مقارنة خصائص المواد
سيراميك كربيد السيليكون عبارة عن سيراميك إنشائي بكثافة منخفضة نسبيًا وصلابة عالية ، وهي فعالة من حيث التكلفة.لذلك ، فهي أيضًا أكثر أنواع السيراميك المضاد للرصاص استخدامًا في الصين.
تتميز سيراميك كربيد البورون بأدنى كثافة وأعلى صلابة بين هذه الأنواع من السيراميك ، ولكن في الوقت نفسه ، لديها أيضًا متطلبات عالية لتكنولوجيا المعالجة ، والتي تتطلب تلبيدًا بدرجة حرارة عالية وضغطًا عاليًا ، وبالتالي فإن التكلفة هي أيضًا الأعلى بين ثلاثة أنواع من السيراميك.
بالمقارنة مع هذه المواد الخزفية المقاومة للرصاص الثلاثة الشائعة ، فإن تكلفة سيراميك الألومينا المضاد للرصاص هي الأدنى ، لكن أدائها المضاد للرصاص أقل بكثير من أداء كربيد السيليكون وكربيد البورون.لذلك ، في الوقت الحاضر ، يتم إنتاج سيراميك كربيد السيليكون وكربيد البورون المضاد للرصاص في الغالب في الشركات المصنعة المحلية للسيراميك المضاد للرصاص ، في حين أن سيراميك الألومينا نادر.ومع ذلك ، يمكن استخدام الألومينا الكريستالية المفردة لإعداد السيراميك الشفاف ، والذي يستخدم على نطاق واسع كمواد شفافة وظيفية بصرية ، ويتم تطبيقه على المعدات العسكرية مثل الأقنعة الفردية المضادة للرصاص ، ونوافذ الكشف عن الصواريخ ، ونوافذ مراقبة المركبات ، والمناظير الغواصة ، وما إلى ذلك.

04 أكثر المواد الخزفية المقاومة للرصاص شيوعًا
سيراميك مضاد للرصاص من كربيد السيليكون
الرابطة التساهمية لكربيد السيليكون قوية للغاية ، ولا تزال تتمتع بقوة عالية في درجات الحرارة العالية.تمنح هذه الميزة الهيكلية سيراميك كربيد السيليكون قوة ممتازة ، وصلابة عالية ، ومقاومة للتآكل ، ومقاومة للتآكل ، وموصلية حرارية عالية ، ومقاومة جيدة للصدمات الحرارية وغيرها من الخصائص ؛في الوقت نفسه ، يعتبر سيراميك كربيد السيليكون أحد أكثر مواد حماية الدروع الواعدة عالية الأداء بسعر معتدل وأداء عالي التكلفة.
تتمتع سيراميك كربيد السيليكون بمساحة تطوير واسعة في مجال حماية الدروع ، وتميل تطبيقاتها في مجالات المعدات الفردية والمركبات الخاصة إلى التنوع.كمادة درع واقية ، مع الأخذ في الاعتبار التكلفة والتطبيق الخاص وعوامل أخرى ، عادةً ما يتم ربط الألواح الخزفية الصغيرة واللوحات الخلفية المركبة لتشكيل أهداف مركبة من السيراميك للتغلب على فشل السيراميك بسبب إجهاد الشد ، والتأكد من أن القطع المفردة فقط يتم سحقها بدون إتلاف الدرع بالكامل عندما تخترق القذيفة.

سيراميك كربيد البورون المضاد للرصاص
في الوقت الحاضر ، يعتبر كربيد البورون مادة فائقة الصلابة تكون صلابتها أقل شأنا من الألماس ونتريد البورون المكعب ، والصلابة تصل إلى 3000 كجم / مم 2 كثافة منخفضة ، 2.52 جم / سم فقط , 1/3 من الفولاذ ؛معامل المرونة العالية ، 450GPa ؛نقطة انصهار عالية ، حوالي 2447 ℃ ؛معامل تمدده الحراري منخفض وموصلية حرارية عالية.بالإضافة إلى ذلك ، يتمتع كربيد البورون باستقرار كيميائي جيد ومقاوم للتآكل الحمضي والقلوي.لا يتفاعل مع الأحماض والقلويات ومعظم السوائل المركبة غير العضوية في درجة حرارة الغرفة.فقط له تآكل بطيء في حامض الهيدروفلوريك حامض الكبريتيك وحمض الهيدروفلوريك ومخاليط حمض النيتريك ؛غير مبلل ويتفاعل مع معظم المعادن المنصهرة.يتمتع كربيد البورون أيضًا بقدرة جيدة على امتصاص النيوترونات ، والتي لا تمتلكها مواد السيراميك الأخرى.كثافة B4C هي الأقل بين العديد من الخزفيات المدرعة شائعة الاستخدام ، كما أن معامل المرونة العالي يجعلها خيارًا جيدًا للدروع العسكرية والمواد الفضائية.تتمثل المشاكل الرئيسية لـ B4C في سعره المرتفع (حوالي 10 أضعاف سعر الألومينا) وهشاشته العالية ، مما يحد من استخدامه الواسع كدروع واقية أحادية الطور.

2

05 طريقة تحضير السيراميك المضاد للرصاص
يمكن أن نرى من خصائص عملية تحضير المواد الخزفية أن تلبيد التفاعل والتلبيد غير المضغوط وتلبيد المرحلة السائلة تكون ناضجة نسبيًا في تطور العملية الحالية.تكاليف إنتاج طرق التلبيد الثلاثة هذه منخفضة ، وعملية التحضير بسيطة ، وإمكانية الإنتاج الضخم عالية.إن التلبيد بالضغط الساخن والتلبيد بالضغط المتساوي الساكن على الساخن محدودان نسبيًا بحجم المنتج ، مع تكلفة إنتاج عالية ونضج منخفض.التلبيد بالضغط العالي ، التلبيد بالميكروويف ، التلبيد بالبلازما بالشرارة وذوبان شعاع البلازما هي طرق تحضير جديدة نسبيًا بأقل نضج.ومع ذلك ، لديهم متطلبات عالية للتكنولوجيا والمعدات ، وتكاليف إنتاج عالية ، وجدوى منخفضة للإنتاج على دفعات.غالبًا ما يتم استخدامها في مرحلة الاستكشاف التجريبي ، وهي ذات أهمية قليلة للتطبيقات العملية ويصعب تحقيقها في التصنيع.

06 ترقية السيراميك المضاد للرصاص
على الرغم من أن كربيد السيليكون وكربيد البورون لهما إمكانات كبيرة لمقاومة الرصاص ، لا يمكن تجاهل مشاكل صلابة الكسر الضعيفة وهشاشة سيراميك أحادي الطور.يتطلب تطوير العلوم والتكنولوجيا الحديثة وظائف واقتصاد السيراميك المضاد للرصاص: متعدد الوظائف ، أداء عالٍ ، وزن خفيف ، تكلفة منخفضة وأمان.لذلك ، في السنوات الأخيرة ، يأمل الخبراء والعلماء في تقوية وتقوية وتفتيح واقتصاد السيراميك من خلال الضبط الدقيق ، بما في ذلك مركب من أنظمة السيراميك المتعددة ، والسيراميك المتدرج الوظيفي ، وتصميم الهيكل متعدد الطبقات ، وما إلى ذلك ، وهذا الدرع أخف من درع اليوم ، مما يحسن تنقل الوحدات القتالية بشكل أفضل.
يتميز السيراميك المتدرج الوظيفي بالتغيرات المنتظمة في خصائص المواد المكونة من خلال التصميم الدقيق.على سبيل المثال ، يحتوي كل من بوريد التيتانيوم والتيتانيوم المعدني وكذلك أكسيد الألومنيوم وكربيد السيليكون وكربيد البورون ونتريد السيليكون والألومنيوم المعدني وأنظمة أخرى من المعدن / السيراميك على تغيير متدرج في الأداء على طول السماكة ، أي لإعداد السيراميك المضاد للرصاص الذي الانتقال من الصلابة العالية إلى الصلابة العالية.
يتكون السيراميك النانوي المركب من جزيئات مشتتة دون ميكرون أو نانومتر مضافة إلى سيراميك المصفوفة.على سبيل المثال ، يمكن لـ SiC-Si3N4-Al2O3 و B4C-SiC وما إلى ذلك تحسين صلابة وصلابة وقوة السيراميك.يذكر أن الدول الغربية تدرس كيفية تحضير السيراميك بحجم حبة عشرات النانومتر عن طريق تلبيد مساحيق نانوية لتقوية وتقوية المواد.ومن المتوقع أن يحقق السيراميك الباليستي تقدمًا كبيرًا في هذا الصدد.

07 ملخص
سواء كان سيراميك أحادي الطور أو سيراميك متعدد الأطوار ، فإن أفضل المواد الخزفية المضادة للرصاص لا تزال غير منفصلة عن كربيد السيليكون وكربيد البورون.خاصةً مواد كربيد البورون ، مع تطور تكنولوجيا التلبيد ، أصبحت مزايا سيراميك كربيد البورون أكثر وأكثر بارزة ، وسيتم تطوير تطبيقاتها في مجال مضاد للرصاص.