ANWENDUNG VON SILIZIUMKARBID, BORKARBID UND ANDEREN FORTGESCHRITTENEN KERAMIK IM BULLETPROOF-BEREICH
Gewöhnliche Keramik ist zerbrechlich.Die durch moderne Wissenschaft und Technologie verarbeitete Hochleistungskeramik ist jedoch zu einem harten und hochfesten neuen Material geworden, insbesondere im kugelsicheren Bereich mit besonderen physikalischen Leistungsanforderungen an Materialien.Keramik ist zu einem sehr beliebten kugelsicheren Material geworden.
01 Kugelsicheres Prinzip keramischer Werkstoffe
Das Grundprinzip des Panzerschutzes besteht darin, Projektilenergie zu verbrauchen, Projektil zu verlangsamen und unschädlich zu machen.Die meisten traditionellen technischen Materialien, wie Metallmaterialien, absorbieren Energie durch plastische Verformung der Struktur, während keramische Materialien Energie durch Mikrozerkleinerungsverfahren absorbieren.
Der Energieabsorptionsprozess von kugelsicherer Keramik lässt sich grob in drei Stufen einteilen:
(1) Anfangsstadium des Aufpralls: Das Projektil trifft auf die Keramikoberfläche, wodurch der Gefechtskopf stumpf wird und Energie absorbiert wird, während die Keramikoberfläche zerkleinert wird, um einen kleinen und harten Fragmentbereich zu bilden;
(2) Erosionsphase: Das stumpfe Projektil erodiert den Splitterbereich weiter und bildet eine durchgehende keramische Splitterschicht;
(3) Verformungs-, Riss- und Bruchstadien: Schließlich wird in der Keramik eine Zugspannung erzeugt, um die Keramik zu brechen, und dann wird die Rückplatte verformt.Die verbleibende Energie wird durch die Verformung des Rückenplattenmaterials absorbiert.Beim Auftreffen des Geschosses auf die Keramik werden sowohl das Geschoß als auch die Keramik beschädigt.
02 Anforderungen von schusssicherer Keramik an Materialeigenschaften
Aufgrund der Sprödigkeit der Keramik selbst wird sie eher brechen als sich plastisch verformen, wenn sie von dem Projektil getroffen wird.Unter Zugbelastung tritt der Bruch zunächst an heterogenen Stellen wie Poren und Korngrenzen auf.Um die Mikrospannungskonzentration zu minimieren, sollten Panzerkeramiken daher hochwertige Keramiken mit geringer Porosität (bis zu 99 % der theoretischen Dichte) und einer feinen Kornstruktur sein.
Materialleistung und ihr Einfluss auf die kugelsichere Leistung.
| Leistung | Auswirkungen auf die kugelsichere Leistung |
| Dichte | Masse des Panzerungssystems |
| Härte | Ausmaß der Zerstörung von Projektilen |
| Elastizitätsmodul | Übertragung von Stresswellen |
| Stärke | Anti-Mehrfachschlag-Leistung |
| Bruchmodus | Anti-Mehrfachschlag-Leistung |
| Bruchzähigkeit (interkristallin oder transgranular) | Fähigkeit, Energie zu absorbieren |
| Mikrostruktur | Korngröße, zweite Phase, Phasenumwandlung oder -amorphisierung, Porosität usw. beeinflussen alle Eigenschaften. |
03Die am häufigsten verwendeten kugelsicheren Keramikmaterialien
Seit dem 21. Jahrhundert haben sich kugelsichere Keramiken mit vielen Arten schnell entwickelt, darunter Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Borkarbid, Siliziumnitrid, Titanborid usw. Darunter Aluminiumoxidkeramik (Al2O3), Siliziumkarbidkeramik (SiC) und Am weitesten verbreitet sind Borcarbidkeramiken (B4C).
Die Dichte von Aluminiumoxidkeramik ist am höchsten, aber die Härte ist relativ gering, die Verarbeitungsschwelle ist niedrig und der Preis ist niedrig.Entsprechend der Reinheit werden Aluminiumoxidkeramiken in 85/90/95/99 unterteilt, und die entsprechende Härte und der Preis werden ebenfalls erhöht.
| Material | Dichte Kg/m3 | Elastizitätsmodul GN/m2 | HV | Preis relativ zu Tonerde |
| Borcarbid | 2500 | 400 | 30000 | x 10 |
| Tonerde | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| Titandiborid | 4500 | 570 | 33000 | x 10 |
| Siliziumkarbid | 3200 | 370 | 27000 | x 5 |
| Berylliumoxid | 2800 | 415 | 12000 | x 10 |
| B4C/SiC | 2600 | 340 | 27500 | x 7 |
| Glaswaren und Keramik | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| Siliziumnitrid | 3200 | 310 | 17000 | x 5 |
Vergleich der Materialeigenschaften
Siliziumkarbidkeramiken sind Strukturkeramiken mit relativ geringer Dichte und hoher Härte, die kostengünstig sind.Daher sind sie auch die am weitesten verbreitete kugelsichere Keramik in China.
Borcarbid-Keramiken haben die niedrigste Dichte und die höchste Härte unter diesen Keramikarten, aber gleichzeitig haben sie auch hohe Anforderungen an die Verarbeitungstechnologie, die ein Hochtemperatur- und Hochdrucksintern erfordert, so dass auch die Kosten unter ihnen am höchsten sind Die drei Arten von Keramik.
Im Vergleich zu diesen drei gängigen kugelsicheren Keramikmaterialien sind die Kosten für kugelsichere Keramik aus Aluminiumoxid am niedrigsten, aber ihre kugelsichere Leistung ist der von Siliziumkarbid und Borkarbid weit unterlegen.Daher werden derzeit Siliziumkarbid- und Borkarbid-Kugelschutzkeramiken hauptsächlich in einheimischen Herstellern von kugelsicheren Keramiken hergestellt, während Aluminiumoxidkeramiken selten sind.Einkristallines Aluminiumoxid kann jedoch verwendet werden, um transparente Keramiken herzustellen, die weithin als optisch funktionelle transparente Materialien verwendet werden und auf militärische Ausrüstung wie einzelne kugelsichere Masken, Raketenerkennungsfenster, Fahrzeugbeobachtungsfenster, U-Boot-Periskope usw. angewendet werden.
04Die beiden beliebtesten kugelsicheren Keramikmaterialien
Kugelsichere Keramik aus Siliziumkarbid
Die kovalente Bindung von Siliziumkarbid ist extrem stark und weist bei hohen Temperaturen immer noch eine hochfeste Bindung auf.Dieses strukturelle Merkmal verleiht Siliziumkarbidkeramik eine hervorragende Festigkeit, hohe Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, gute Temperaturwechselbeständigkeit und andere Eigenschaften;Gleichzeitig ist Siliziumkarbidkeramik eines der vielversprechendsten Hochleistungs-Panzerschutzmaterialien mit moderatem Preis und hoher Kostenleistung.
Siliziumkarbid-Keramiken haben im Bereich des Panzerschutzes ein breites Entwicklungsfeld, und ihre Anwendungen in den Bereichen Individualausstattung und Sonderfahrzeuge sind tendenziell breit gefächert.Als Schutzpanzermaterial werden unter Berücksichtigung der Kosten, der speziellen Anwendung und anderer Faktoren kleine Keramikplatten und Verbundstoff-Rückplatten normalerweise zu Keramikverbundzielen verbunden, um das Versagen von Keramik aufgrund von Zugspannung zu überwinden und sicherzustellen, dass nur einzelne Teile ohne zerkleinert werden Beschädigung der gesamten Panzerung, wenn das Projektil eindringt.
Kugelsichere Keramik aus Borcarbid
Derzeit ist Borcarbid ein superhartes Material, dessen Härte Diamant und kubischem Bornitrid nur unterlegen ist und die Härte bis zu 3000 kg/mm² beträgt； Geringe Dichte, nur 2,52 g/cm³， 1/3 von Stahl;Hoher Elastizitätsmodul, 450 GPa;Hoher Schmelzpunkt, etwa 2447 ℃;Sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist gering und seine Wärmeleitfähigkeit hoch.Darüber hinaus hat Borcarbid eine gute chemische Stabilität und ist beständig gegen Säure- und Laugenkorrosion.Es reagiert bei Raumtemperatur nicht mit Säuren und Laugen und den meisten Flüssigkeiten mit anorganischen Verbindungen.Es hat nur eine langsame Korrosion in Flusssäure-Schwefelsäure- und Flusssäure-Salpetersäure-Mischungen;Es wird nicht benetzt und interagiert mit den meisten geschmolzenen Metallen.Borcarbid hat auch eine gute Fähigkeit, Neutronen zu absorbieren, was andere keramische Materialien nicht haben.Die Dichte von B4C ist die niedrigste unter mehreren häufig verwendeten Panzerungskeramiken, und sein hoher Elastizitätsmodul macht es zu einer guten Wahl für militärische Panzerungs- und Weltraummaterialien.Die Hauptprobleme von B4C sind sein hoher Preis (etwa das 10-fache von Aluminiumoxid) und seine hohe Sprödigkeit, die seine breite Anwendung als einphasige Schutzpanzerung einschränken.
05 Herstellungsverfahren von kugelsicherer Keramik
Aus den Eigenschaften des Herstellungsprozesses keramischer Werkstoffe ist ersichtlich, dass Reaktionssintern, druckloses Sintern und Flüssigphasensintern in der aktuellen Prozessentwicklung relativ ausgereift sind.Die Herstellungskosten dieser drei Sinterverfahren sind gering, der Herstellungsprozess einfach und die Möglichkeit der Massenproduktion hoch.Heißpresssintern und heißisostatisches Presssintern sind durch die Produktgröße relativ begrenzt, mit hohen Produktionskosten und geringer Reife.Ultrahochdrucksintern, Mikrowellensintern, Spark-Plasma-Sintern und Plasmastrahlschmelzen sind relativ neue Präparationsverfahren mit geringstem Reifegrad.Sie haben jedoch hohe Anforderungen an Technologie und Ausrüstung, hohe Produktionskosten und eine geringe Durchführbarkeit der Serienproduktion.Sie werden häufig in der experimentellen Erkundungsphase eingesetzt, die für praktische Anwendungen von geringer Bedeutung ist und eine Industrialisierung nur schwer erreichen kann.
06 Upgrade von kugelsicherer Keramik
Obwohl Siliziumkarbid und Borkarbid ein großes kugelsicheres Potenzial haben, können die Probleme der schlechten Bruchzähigkeit und Sprödigkeit von einphasigen Keramiken nicht ignoriert werden.Die Entwicklung moderner Wissenschaft und Technologie erfordert die Funktionalität und Wirtschaftlichkeit von kugelsicherer Keramik: Multifunktion, hohe Leistung, geringes Gewicht, niedrige Kosten und Sicherheit.Daher hoffen Experten und Gelehrte in den letzten Jahren, Keramik durch Mikroanpassung zu stärken, härter, leichter und sparsamer zu machen, einschließlich Verbundwerkstoffen aus mehreren Keramiksystemen, Keramik mit funktionellem Gradienten, Schichtstrukturdesign usw., und eine solche Panzerung ist leichter als die heutige Panzerung. was die Mobilität von Kampfeinheiten besser verbessert.
Funktionelle Gradientenkeramiken zeichnen sich durch regelmäßige Veränderungen der Eigenschaften von Bauteilmaterialien durch Mikrodesign aus.Beispielsweise weisen Titanborid und Metalltitan sowie Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Borkarbid, Siliziumnitrid und Metallaluminium und andere Metall/Keramik-Verbundsysteme eine Gradientenänderung in der Leistung entlang der Dicke auf, d. h. um kugelsichere Keramiken herzustellen Übergang von hoher Härte zu hoher Zähigkeit.
Nanokompositkeramiken bestehen aus dispergierten Partikeln im Submikron- oder Nanometerbereich, die der Matrixkeramik zugesetzt werden.Beispielsweise können SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC usw. die Härte, Zähigkeit und Festigkeit von Keramik verbessern.Es wird berichtet, dass die westlichen Länder untersuchen, wie Keramiken mit einer Korngröße von mehreren zehn Nanometern durch Sintern von Pulvern im Nanomaßstab hergestellt werden können, um die Materialien zu festigen und zäher zu machen.Von ballistischer Keramik wird hier ein großer Durchbruch erwartet.
07 Zusammenfassung
Ob Einphasenkeramik oder Mehrphasenkeramik, die besten kugelsicheren Keramikmaterialien sind immer noch untrennbar mit Siliziumkarbid und Borkarbid verbunden.Insbesondere bei Borcarbid-Materialien werden mit der Entwicklung der Sintertechnologie die Vorteile von Borcarbid-Keramiken immer herausragender, und ihre Anwendungen im kugelsicheren Bereich werden weiterentwickelt.