کاربرد سیلیکون کاربید، کاربید بور و سایر سرامیک های پیشرفته در زمینه ضد گلوله
سرامیک های معمولی شکننده هستند.با این حال، سرامیک های پیشرفته پردازش شده توسط علم و فناوری مدرن به یک ماده جدید سخت و با استحکام بالا تبدیل شده اند، به ویژه در زمینه ضد گلوله با الزامات عملکرد فیزیکی ویژه برای مواد.سرامیک به یک ماده ضد گلوله بسیار محبوب تبدیل شده است.
01 اصل ضد گلوله مواد سرامیکی
اصل اساسی حفاظت از زره، مصرف انرژی پرتابه، کاهش سرعت پرتابه و بی ضرر کردن آن است.بیشتر مواد مهندسی سنتی، مانند مواد فلزی، انرژی را از طریق تغییر شکل پلاستیکی ساختار جذب می‌کنند، در حالی که مواد سرامیکی انرژی را از طریق فرآیند خرد کردن خرد جذب می‌کنند.
فرآیند جذب انرژی سرامیک های ضد گلوله را می توان به طور کلی به سه مرحله تقسیم کرد:
(1) مرحله برخورد اولیه: پرتابه به سطح سرامیکی برخورد می کند، سرجنگی را کند می کند و انرژی را در فرآیند خرد کردن سطح سرامیکی برای تشکیل یک منطقه کوچک و سخت جذب می کند.
(2) مرحله فرسایش: پرتابه بلانت به فرسایش ناحیه قطعه ادامه می دهد و یک لایه قطعه سرامیکی پیوسته را تشکیل می دهد.
(3) مراحل تغییر شکل، ترک و شکست: در نهایت، تنش کششی در سرامیک برای شکستن سرامیک ایجاد می‌شود و سپس صفحه پشتی تغییر شکل می‌دهد.انرژی باقیمانده توسط تغییر شکل مواد صفحه پشتی جذب می شود.در فرآیند برخورد پرتابه به سرامیک، پرتابه و سرامیک هر دو آسیب می بینند.
02 الزامات سرامیک های ضد گلوله در مورد خواص مواد
به دلیل شکنندگی خود سرامیک، در اثر برخورد پرتابه به جای تغییر شکل پلاستیکی، می‌شکند.تحت بار کششی، شکست ابتدا در مکان های ناهمگن مانند منافذ و مرز دانه ها رخ می دهد.بنابراین، برای به حداقل رساندن غلظت ریز تنش، سرامیک های زره پوش باید از سرامیک های باکیفیت با تخلخل کم (تا 99 درصد چگالی نظری) و ساختار دانه ریز باشند.
عملکرد مواد و تأثیر آن بر عملکرد ضد گلوله
| کارایی | تاثیر بر عملکرد ضد گلوله |
| تراکم | سیستم انبوه زره |
| سختی | وسعت انهدام پرتابه ها |
| مدول الاستیک | انتقال موج استرس |
| استحکام - قدرت | عملکرد ضد ضربات چندگانه |
| حالت شکستگی | عملکرد ضد ضربات چندگانه |
| چقرمگی شکست (بین کریستالی یا ترانس دانه ای) | توانایی جذب انرژی |
| ریزساختار | اندازه دانه، فاز دوم، تبدیل فاز یا آمورفیزاسیون، تخلخل و ... همه خواص را تحت تأثیر قرار می دهد. |
03 متداول ترین مواد سرامیکی ضد گلوله
از قرن بیست و یکم، سرامیک های ضد گلوله با انواع مختلفی از جمله اکسید آلومینیوم، کاربید سیلیکون، کاربید بور، نیترید سیلیکون، تیتانیوم بورید و غیره به سرعت توسعه یافته اند. سرامیک های کاربید بور (B4C) بیشترین استفاده را دارند.
چگالی سرامیک آلومینا بالاترین است، اما سختی نسبتا کم است، آستانه پردازش کم است و قیمت پایین است.سرامیک های آلومینا با توجه به خلوص به 99/90/85 تقسیم می شوند و سختی و قیمت مربوطه نیز به نوبه خود افزایش می یابد.
| مواد | چگالی کیلوگرم بر متر مکعب | مدول الاستیک GN/m2 | HV | قیمت نسبت به آلومینا |
| کاربید بور | 2500 | 400 | 30000 | x 10 |
| آلومینا | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| دیبورید تیتانیوم | 4500 | 570 | 33000 | x 10 |
| کاربید سیلیکون | 3200 | 370 | 27000 | x 5 |
| اکسید بریلیم | 2800 | 415 | 12000 | x 10 |
| B4C/SiC | 2600 | 340 | 27500 | x 7 |
| ظروف شیشه ای و سرامیک | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| نیترید سیلیکون | 3200 | 310 | 17000 | x 5 |
مقایسه خواص مواد
سرامیک های کاربید سیلیکون سرامیک های ساختاری با چگالی نسبتا کم و سختی بالا هستند که مقرون به صرفه هستند.بنابراین، آنها همچنین پرمصرف ترین سرامیک های ضد گلوله در چین هستند.
سرامیک های کاربید بور دارای کمترین چگالی و بالاترین سختی در بین این نوع سرامیک ها هستند، اما در عین حال دارای الزامات بالایی برای فناوری پردازش هستند که نیاز به تف جوشی در دمای بالا و فشار بالا دارند، بنابراین هزینه نیز بالاترین در بین سرامیک ها است. سه نوع سرامیک
در مقایسه با این سه ماده سرامیکی ضد گلوله رایج، هزینه سرامیک ضد گلوله آلومینا کمترین است، اما عملکرد ضد گلوله آن به مراتب کمتر از کاربید سیلیکون و کاربید بور است.بنابراین در حال حاضر سرامیک های ضد گلوله کاربید سیلیکون و کاربید بور بیشتر در تولیدکنندگان سرامیک ضد گلوله داخلی تولید می شود در حالی که سرامیک آلومینا کمیاب است.با این حال، آلومینا تک کریستال را می توان برای تهیه سرامیک های شفاف استفاده کرد که به طور گسترده به عنوان مواد شفاف کاربردی نوری استفاده می شود و برای تجهیزات نظامی مانند ماسک های ضد گلوله فردی، پنجره های تشخیص موشک، پنجره های دید خودرو، پریسکوپ های زیردریایی و غیره استفاده می شود.
04 دو ماده سرامیکی ضد گلوله محبوب ترین
سیلیکون کاربید سرامیک ضد گلوله
پیوند کووالانسی کاربید سیلیکون بسیار قوی است و همچنان در دماهای بالا پیوند با استحکام بالایی دارد.این ویژگی ساختاری به سرامیک کاربید سیلیکون استحکام عالی، سختی بالا، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی، هدایت حرارتی بالا، مقاومت در برابر شوک حرارتی خوب و سایر خواص می دهد.در عین حال، سرامیک کاربید سیلیکون یکی از امیدوارکننده ترین مواد محافظ زره با عملکرد بالا با قیمت متوسط و عملکرد هزینه بالا است.
سرامیک های کاربید سیلیکون فضای توسعه گسترده ای در زمینه حفاظت از زره دارند و کاربردهای آنها در زمینه تجهیزات فردی و وسایل نقلیه ویژه متنوع است.به عنوان یک ماده زره محافظ، با در نظر گرفتن هزینه، کاربرد خاص و سایر عوامل، پانل های سرامیکی کوچک و صفحات پشتی کامپوزیت معمولاً برای تشکیل اهداف کامپوزیت سرامیکی به هم چسبانده می شوند تا بر شکست سرامیک ها به دلیل تنش کششی غلبه کنند و اطمینان حاصل شود که تنها قطعات منفرد بدون خرد شدن آسیب رساندن به کل زره هنگام نفوذ پرتابه.
سرامیک ضد گلوله کاربید بور
در حال حاضر، کاربید بور یک ماده فوق‌العاده سخت است که سختی آن فقط کمتر از الماس و نیترید بور مکعبی است و سختی آن تا 3000 کیلوگرم بر میلی‌متر مربع است؛ چگالی کم، تنها 2.52 گرم بر سانتی‌متر ³، 1/3 فولاد.مدول الاستیک بالا، 450GPa;نقطه ذوب بالا، حدود 2447 ℃.ضریب انبساط حرارتی آن کم و هدایت حرارتی آن زیاد است.علاوه بر این، کاربید بور پایداری شیمیایی خوبی دارد و در برابر خوردگی اسیدی و قلیایی مقاوم است.در دمای اتاق با اسید و قلیایی و اکثر مایعات ترکیبی معدنی واکنش نمی دهد.فقط در مخلوط اسید سولفوریک اسید هیدروفلوئوریک و اسید نیتریک اسید هیدروفلوئوریک خوردگی آهسته دارد.خیس نمی شود و با اکثر فلزات مذاب تعامل دارد.کاربید بور همچنین توانایی خوبی در جذب نوترون دارد که سایر مواد سرامیکی فاقد آن هستند.چگالی B4C در بین چندین سرامیک زرهی معمولی کمترین میزان است و مدول الاستیک بالای آن آن را به انتخاب خوبی برای زره های نظامی و مواد فضایی تبدیل می کند.مشکلات اصلی B4C قیمت بالای آن (حدود 10 برابر آلومینا) و شکنندگی بالا است که کاربرد گسترده آن را به عنوان زره محافظ تک فاز محدود می کند.
05 روش تهیه سرامیک ضد گلوله
از ویژگی های فرآیند آماده سازی مواد سرامیکی می توان دریافت که تف جوشی واکنشی، تف جوشی بدون فشار و تف جوشی فاز مایع نسبتاً بالغ در توسعه فرآیند فعلی هستند.هزینه های تولید این سه روش تف جوشی کم، فرآیند آماده سازی ساده و امکان تولید انبوه زیاد است.تف جوشی پرس گرم و تف جوشی با پرس گرم ایزواستاتیک نسبتاً با اندازه محصول محدود می شوند و هزینه تولید بالا و بلوغ کم دارند.تف جوشی با فشار فوق العاده بالا، تف جوشی در مایکروویو، تف جوشی پلاسمای جرقه ای و ذوب پرتو پلاسما روش های آماده سازی نسبتاً جدیدی با کمترین بلوغ هستند.با این حال، آنها نیازهای بالایی برای فناوری و تجهیزات، هزینه های تولید بالا و امکان سنجی پایین تولید دسته ای دارند.آنها اغلب در مرحله اکتشاف تجربی استفاده می شوند که برای کاربردهای عملی اهمیت کمی دارد و دستیابی به صنعتی شدن دشوار است.
06 ارتقاء سرامیک های ضد گلوله
اگرچه کاربید سیلیکون و کاربید بور پتانسیل ضد گلوله بالایی دارند، اما مشکلات چقرمگی شکست ضعیف و شکنندگی سرامیک های تک فاز را نمی توان نادیده گرفت.توسعه علم و فناوری مدرن مستلزم کارایی و صرفه جویی در سرامیک های ضد گلوله است: چند کاره، عملکرد بالا، وزن سبک، هزینه کم و ایمنی.بنابراین، در سال‌های اخیر، کارشناسان و محققان امیدوارند که از طریق تنظیم میکرو، سرامیک‌ها از جمله کامپوزیت سیستم‌های سرامیکی متعدد، سرامیک‌های شیب‌دار عملکردی، طراحی ساختار لایه‌ای و غیره، تقویت، سفتی، سبک‌سازی و صرفه‌جویی در مصرف سرامیک‌ها را انجام دهند و چنین زره‌هایی سبک‌تر از زره‌های امروزی هستند. که تحرک واحدهای رزمی را بهتر بهبود می بخشد.
سرامیک های گرادیان عملکردی با تغییرات منظم در خواص مواد جزء از طریق طراحی میکرو مشخص می شوند.به عنوان مثال، بورید تیتانیوم و تیتانیوم فلز و همچنین اکسید آلومینیوم، کاربید سیلیکون، کاربید بور، نیترید سیلیکون و آلومینیوم فلز و سایر سیستم‌های کامپوزیت فلز/سرامیک دارای یک تغییر گرادیان عملکرد در امتداد ضخامت هستند، یعنی برای تهیه سرامیک‌های ضد گلوله که انتقال از سختی بالا به چقرمگی بالا
سرامیک های نانوکامپوزیتی از ذرات پراکنده زیر میکرونی یا نانومتری تشکیل شده اند که به سرامیک های زمینه اضافه می شوند.به عنوان مثال، SiC-Si3N4-Al2O3، B4C-SiC و غیره می توانند سختی، چقرمگی و استحکام سرامیک ها را بهبود بخشند.گزارش شده است که کشورهای غربی در حال بررسی چگونگی تهیه سرامیک با دانه بندی ده ها نانومتر با تف جوشی پودرهای نانومتری به منظور تقویت و سفت شدن مواد هستند.انتظار می رود که سرامیک های بالستیک در این زمینه به موفقیت بزرگی دست یابند.
07 خلاصه
چه سرامیک تک فاز باشد و چه سرامیک چند فاز، بهترین مواد سرامیکی ضد گلوله هنوز از کاربید سیلیکون و کاربید بور جدا نشدنی هستند.به خصوص مواد کاربید بور، با توسعه فناوری پخت، مزایای سرامیک کاربید بور بیشتر و بیشتر برجسته می شود و کاربردهای آنها در زمینه ضد گلوله بیشتر توسعه می یابد.