APLICACIÓN DE CARBURO DE SILICIO, CARBURO DE BORO Y OTRAS CERÁMICAS AVANZADAS EN CAMPO ANTIBALAS
La cerámica ordinaria es frágil.Sin embargo, la cerámica avanzada procesada por la ciencia y la tecnología modernas se ha convertido en un nuevo material duro y de alta resistencia, especialmente en el campo a prueba de balas con requisitos especiales de rendimiento físico para los materiales.La cerámica se ha convertido en un material antibalas muy popular.
01 Principio a prueba de balas de los materiales cerámicos
El principio básico de la protección de la armadura es consumir la energía del proyectil, ralentizar el proyectil y hacerlo inofensivo.La mayoría de los materiales de ingeniería tradicionales, como los materiales metálicos, absorben energía a través de la deformación plástica de la estructura, mientras que los materiales cerámicos absorben energía a través del proceso de microtrituración.
El proceso de absorción de energía de la cerámica antibalas se puede dividir aproximadamente en tres etapas:
(1) Etapa de impacto inicial: el proyectil golpea la superficie de cerámica, lo que hace que la ojiva se vuelva roma y absorbe energía en el proceso de trituración de la superficie de cerámica para formar un área de fragmentos pequeños y duros;
(2) Etapa de erosión: el proyectil romo continúa erosionando el área del fragmento, formando una capa continua de fragmentos cerámicos;
(3) Etapas de deformación, agrietamiento y fractura: finalmente, se genera tensión de tracción en la cerámica para romper la cerámica, y luego se deforma la placa posterior.La energía restante es absorbida por la deformación del material de la placa posterior.En el proceso del impacto del proyectil sobre la cerámica, se dañan tanto el proyectil como la cerámica.
02 Requisitos de la cerámica antibalas sobre las propiedades del material
Debido a la fragilidad de la propia cerámica, se fracturará en lugar de deformarse plásticamente cuando sea impactada por el proyectil.Bajo carga de tracción, la fractura ocurre primero en lugares heterogéneos como poros y límites de grano.Por lo tanto, para minimizar la concentración de microestrés, las cerámicas armadas deben ser cerámicas de alta calidad con baja porosidad (hasta el 99% de la densidad teórica) y estructura de grano fino.
Rendimiento del material y su influencia en el rendimiento a prueba de balas.
| Rendimiento | Impacto en el rendimiento a prueba de balas |
| Densidad | Sistema de masa de armadura |
| Dureza | Grado de destrucción de los proyectiles. |
| Modulos elasticos | Transmisión de ondas de tensión |
| Fuerza | Rendimiento contra golpes múltiples |
| modo de fractura | Rendimiento contra golpes múltiples |
| Tenacidad a la fractura (intercristalina o transgranular) | Capacidad de absorber energía. |
| Microestructura | El tamaño de grano, la segunda fase, la transformación o amorfización de fase, la porosidad, etc. afectan a todas las propiedades. |
03Los materiales cerámicos antibalas más utilizados
Desde el siglo XXI, las cerámicas antibalas se han desarrollado rápidamente con muchos tipos, incluidos el óxido de aluminio, el carburo de silicio, el carburo de boro, el nitruro de silicio, el boruro de titanio, etc. Entre ellos, las cerámicas de óxido de aluminio (Al2O3), las cerámicas de carburo de silicio (SiC) y Las cerámicas de carburo de boro (B4C) son las más utilizadas.
La densidad de la cerámica de alúmina es la más alta, pero la dureza es relativamente baja, el umbral de procesamiento es bajo y el precio es bajo.Según la pureza, las cerámicas de alúmina se dividen en 85/90/95/99, y la dureza y el precio correspondientes también aumentan a su vez.
| Material | Densidad Kg/m3 | Módulo elástico GN/m2 | HV | Precio relativo a la alúmina |
| Carburo de boro | 2500 | 400 | 30000 | x10 |
| Alúmina | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| diboruro de titanio | 4500 | 570 | 33000 | x10 |
| Carburo de silicio | 3200 | 370 | 27000 | x5 |
| óxido de berilio | 2800 | 415 | 12000 | x10 |
| B4C/SiC | 2600 | 340 | 27500 | x7 |
| Cristalería y Cerámica | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| Nitrido de silicona | 3200 | 310 | 17000 | x5 |
Comparación de las propiedades de los materiales
Las cerámicas de carburo de silicio son cerámicas estructurales con densidad relativamente baja y alta dureza, que son rentables.Por lo tanto, también son las cerámicas antibalas más utilizadas en China.
Las cerámicas de carburo de boro tienen la densidad más baja y la dureza más alta entre estos tipos de cerámica, pero al mismo tiempo, también tienen altos requisitos para la tecnología de procesamiento, que requieren sinterización a alta temperatura y alta presión, por lo que el costo también es el más alto entre Los tres tipos de cerámica.
En comparación con estos tres materiales cerámicos a prueba de balas comunes, el costo de la cerámica a prueba de balas de alúmina es el más bajo, pero su rendimiento a prueba de balas es muy inferior al del carburo de silicio y el carburo de boro.Por lo tanto, en la actualidad, las cerámicas antibalas de carburo de silicio y carburo de boro se producen principalmente en fabricantes nacionales de cerámica antibalas, mientras que las cerámicas de alúmina son raras.Sin embargo, la alúmina monocristalina se puede utilizar para preparar cerámicas transparentes, que se utilizan ampliamente como materiales transparentes funcionales ópticos y se aplican a equipos militares como máscaras antibalas individuales, ventanas de detección de misiles, ventanas de observación de vehículos, periscopios submarinos, etc.
04Los dos materiales cerámicos antibalas más populares
Cerámica antibalas de carburo de silicio
El enlace covalente del carburo de silicio es extremadamente fuerte y todavía tiene un enlace de alta resistencia a altas temperaturas.Esta característica estructural le da a la cerámica de carburo de silicio una excelente resistencia, alta dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica, buena resistencia al choque térmico y otras propiedades;Al mismo tiempo, la cerámica de carburo de silicio es uno de los materiales de protección de blindaje de alto rendimiento más prometedores con un precio moderado y un rendimiento de alto costo.
Las cerámicas de carburo de silicio tienen un amplio espacio de desarrollo en el campo de la protección de blindajes, y sus aplicaciones en los campos de equipos individuales y vehículos especiales tienden a diversificarse.Como material de armadura protectora, teniendo en cuenta el costo, la aplicación especial y otros factores, los paneles cerámicos pequeños y las placas traseras compuestas generalmente se unen para formar objetivos compuestos cerámicos para superar la falla de la cerámica debido a la tensión de tracción y garantizar que solo las piezas individuales se aplasten sin dañando toda la armadura cuando el proyectil penetra.
Cerámica antibalas de carburo de boro
En la actualidad, el carburo de boro es un material súper duro cuya dureza es solo inferior al diamante y al nitruro de boro cúbico, y la dureza es de hasta 3000 kg/mm²; Baja densidad, solo 2,52 g/cm³, 1/3 de acero;Alto módulo elástico, 450GPa;Alto punto de fusión, alrededor de 2447 ℃;Su coeficiente de expansión térmica es bajo y su conductividad térmica es alta.Además, el carburo de boro tiene buena estabilidad química y es resistente a la corrosión ácida y alcalina.No reacciona con ácidos y álcalis ni con la mayoría de los compuestos líquidos inorgánicos a temperatura ambiente.Solo tiene corrosión lenta en mezclas de ácido sulfúrico y ácido fluorhídrico ácido fluorhídrico ácido nítrico;No se humedece e interactúa con la mayoría de los metales fundidos.El carburo de boro también tiene una buena capacidad para absorber neutrones, que otros materiales cerámicos no tienen.La densidad de B4C es la más baja entre varias cerámicas para armaduras de uso común, y su alto módulo elástico lo convierte en una buena opción para armaduras militares y materiales espaciales.Los principales problemas de B4C son su alto precio (alrededor de 10 veces el de la alúmina) y su alta fragilidad, que limitan su amplia aplicación como armadura protectora monofásica.
05 Método de preparación de cerámica antibalas
Se puede ver por las características del proceso de preparación de materiales cerámicos que la sinterización por reacción, la sinterización sin presión y la sinterización en fase líquida están relativamente maduras en el desarrollo del proceso actual.Los costos de producción de estos tres métodos de sinterización son bajos, el proceso de preparación es simple y la posibilidad de producción en masa es alta.La sinterización por prensado en caliente y la sinterización por prensado isostático en caliente están relativamente limitadas por el tamaño del producto, con un alto costo de producción y una baja madurez.La sinterización a ultra alta presión, la sinterización por microondas, la sinterización por chispa de plasma y la fusión por haz de plasma son métodos de preparación relativamente nuevos con la madurez más baja.Sin embargo, tienen altos requisitos de tecnología y equipo, altos costos de producción y baja viabilidad de producción por lotes.A menudo se utilizan en la etapa de exploración experimental, que es de poca importancia para aplicaciones prácticas y de difícil industrialización.
06 Actualización de cerámica antibalas
Aunque el carburo de silicio y el carburo de boro tienen un gran potencial a prueba de balas, no se pueden ignorar los problemas de la mala tenacidad a la fractura y la fragilidad de las cerámicas monofásicas.El desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas requiere la funcionalidad y economía de la cerámica antibalas: multifunción, alto rendimiento, peso ligero, bajo costo y seguridad.Por lo tanto, en los últimos años, los expertos y académicos esperan fortalecer, endurecer, aligerar y economizar las cerámicas a través de microajustes, incluidos compuestos de múltiples sistemas cerámicos, cerámicas de gradiente funcional, diseño de estructuras en capas, etc., y dicha armadura es más liviana que la armadura actual. lo que mejora mejor la movilidad de las unidades de combate.
Las cerámicas de gradiente funcional se caracterizan por cambios regulares en las propiedades de los materiales componentes a través del microdiseño.Por ejemplo, el boruro de titanio y el titanio metálico, así como el óxido de aluminio, el carburo de silicio, el carburo de boro, el nitruro de silicio y el aluminio metálico y otros sistemas compuestos de metal/cerámica tienen un cambio de gradiente en el rendimiento a lo largo del espesor, es decir, para preparar cerámicas a prueba de balas que transición de alta dureza a alta tenacidad.
Las cerámicas nanocompuestas están compuestas de partículas dispersas submicrónicas o nanométricas añadidas a la cerámica matriz.Por ejemplo, SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC, etc. pueden mejorar la dureza, tenacidad y resistencia de la cerámica.Se informa que los países occidentales están estudiando cómo preparar cerámicas con un tamaño de grano de decenas de nanómetros mediante la sinterización de polvos a nanoescala, para fortalecer y endurecer los materiales.Se espera que la cerámica balística logre un gran avance en este sentido.
07 Resumen
Ya se trate de cerámicas monofásicas o cerámicas multifásicas, los mejores materiales cerámicos a prueba de balas siguen siendo inseparables del carburo de silicio y el carburo de boro.Especialmente los materiales de carburo de boro, con el desarrollo de la tecnología de sinterización, las ventajas de las cerámicas de carburo de boro son cada vez más destacadas y sus aplicaciones en el campo antibalas se desarrollarán aún más.