کاربردهای سیلیکون کاربید، کاربید بور و سایر سرامیک های پیشرفته در زمینه های ضد گلوله
کاربردهای سیلیکون کاربید، کاربید بور و سایر سرامیک های پیشرفته در زمینه های ضد گلوله
سرامیک های معمولی شکننده هستند.بسته به علم و فناوری مدرن، آنها به سرامیک های پیشرفته ای تبدیل می شوند که دارای سختی خوب و استحکام بالایی هستند.سرامیک های پیشرفته باید ماده جدیدی در زمینه ضد گلوله با الزامات عملکرد فیزیکی خاص باشد.بنابراین، سرامیک به یک ماده ضد گلوله بسیار محبوب تبدیل شده است.
01 اصل ضد گلوله مواد سرامیکی
ضد گلوله برای مصرف انرژی پرتابه و کاهش سرعت پرتابه به منظور به حداقل رساندن آسیب به کاربران ضد گلوله استفاده می شود.اکثر مواد مهندسی سنتی، مانند فلز و غیره، انرژی را از طریق تغییر شکل پلاستیکی ساختار جذب می کنند، در حالی که مواد سرامیکی انرژی را با فرآیند خرد کردن خرد جذب می کنند.
تقریباً سه مرحله در فرآیند جذب انرژی سرامیک گلولهپروف وجود دارد:
1) مرحله ضربه اولیه
هنگامی که پرتابه به سطح سرامیکی ضد گلوله برخورد می کند، سرجنگی کند می شود.در طی فرآیند خرد کردن سطح سرامیکی، انرژی جذب خواهد شد.باعث ایجاد یک ناحیه قطعه کوچک و سخت می شود.
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 شکستگی
در نهایت تنش کششی در سرامیک ایجاد می شود تا سرامیک شکسته شود.سپس صفحه پشتی تغییر شکل می دهد.انرژی باقیمانده با 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 سرامیک، در هنگام برخورد پرتابه، به جای تغییر شکل پلاستیک، شکسته می شود.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 ضد گلوله باید 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 به سرعت توسعه یافته اند.انواع سرامیک های ضد گلوله شامل اکسید آلومینیوم، کاربید سیلیکون، کاربید بور، نیترید سیلیکون، تیتانیوم بورید و غیره می باشد. از جمله سرامیک های اکسید آلومینیوم (Al2O3)، سرامیک های کاربید سیلیکون (SiC) و سرامیک های کاربید بور (B4C) هستند. پرطرفدارترین در جهان
چگالی سرامیک آلومینا بالاترین میزان است.با این حال، سختی آن نسبتا کم است.با آستانه پردازش سطح پایین، قیمت سرامیک آلومینا نیز پایین است.با توجه به خلوص آلومینا، سرامیک های آلومینا به 85/90/95/99 تقسیم می شوند.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 کمترین چگالی و بیشترین سختی را در بین این نوع سرامیک ها دارند.در همین حال، آنها همچنین دارای الزامات بالایی برای فناوری پردازش هستند که نیاز به تف جوشی با دمای بالا و فشار بالا دارند.بنابراین هزینه سرامیک کاربید بور باید در بین سه نوع سرامیک بالاتر باشد.
تصویر
در مقایسه با این سه ماده سرامیک ضد گلوله رایج، سرامیک ضد گلوله آلومینا کمترین هزینه را دارد.با این حال، عملکرد ضد گلوله آن بسیار پایین تر از کاربید سیلیکون و کاربید بور است.بنابراین در حال حاضر سرامیک های ضد گلوله سیلیکون کاربید و کاربید بور بیشتر در تولیدکنندگان سرامیک ضد گلوله داخلی تولید می شوند در حالی که سرامیک های آلومینا در بازار داخلی به ندرت تولید می شوند.با این حال، آلومینا تک کریستالی را می توان برای تهیه سرامیک های شفاف استفاده کرد که به طور گسترده ای به عنوان مواد شفاف کاربردی نوری استفاده می شود. آلومینا تک کریستال همچنین 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 سرامیک ضد گلوله محبوب: سرامیک ضد گلوله سیلیکون کاربید
بسته به پیوند کووالانسی بسیار قوی، کاربید سیلیکون هنوز در دماهای بالا پیوند با استحکام بالایی دارد.این ویژگی ساختاری به سرامیک کاربید سیلیکون خواص خوبی می دهد که شامل استحکام عالی، سختی بالا، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی، هدایت حرارتی بالا، مقاومت در برابر شوک حرارتی خوب و غیره است.در همین حال، سرامیک کاربید سیلیکون یکی از امیدوارکننده ترین مواد محافظ زرهی با عملکرد بالا است که دارای قیمت متوسط و عملکرد هزینه بالایی است.
سرامیک های کاربید سیلیکون به عنوان مواد زره محافظ در نظر گرفته شده اند.آنها فضای توسعه گسترده ای در زمینه حفاظت از زره دارند.کاربردهای آنها در زمینه تجهیزات فردی و وسایل نقلیه ویژه متنوع است.با توجه به هزینه، کاربرد خاص و سایر عوامل، پانلهای سرامیکی کوچک و صفحات پشتی کامپوزیت معمولاً به منظور غلبه بر شکست سرامیکها در اثر تنش کششی، برای تشکیل اهداف کامپوزیت سرامیکی به هم متصل میشوند.آنها اطمینان حاصل می کنند که تنها قطعات منفرد بدون آسیب رساندن به کل زره هنگام نفوذ پرتابه خرد می شوند.
سرامیک ضد گلوله کاربید بور
در حال حاضر، کاربید بور یک ماده فوق العاده سخت است که سختی آن فقط از الماس و نیترید بور مکعبی کمتر است.سختی آن تا 3000 کیلوگرم بر میلی متر مربع است.چگالی آن 2.52 گرم بر سانتی متر مکعب است که 1/3 فولاد است.دارای مدول الاستیک بالا (450 گیگا پاسکال) و نقطه ذوب بالا (حدود 2447 ℃) و همچنین هدایت حرارتی بالا.اما ضریب انبساط حرارتی آن پایین است.علاوه بر این، کاربید بور دارای پایداری شیمیایی، مقاومت اسیدی، مقاومت قلیایی و مقاومت در برابر خوردگی است.در دمای اتاق، کاربید بور با اسیدها، بازها و اکثر مایعات ترکیبی معدنی واکنش نمی دهد.کاربید بور فقط در مخلوط اسید سولفوریک اسید هیدروفلوئوریک و اسید نیتریک اسید هیدروفلوئوریک خوردگی کند دارد.در عین حال، کاربید بور خیس نمی شود و با اکثر فلزات مذاب برهمکنش می کند.کاربید بور همچنین توانایی خوبی در جذب نوترون دارد که سایر مواد سرامیکی فاقد آن هستند.چگالی B4C در بین چندین سرامیک زرهی رایج کمترین میزان است.علاوه بر این، مدول الاستیک بالای آن، آن را به انتخاب خوبی برای زره های نظامی و مواد فضایی تبدیل می کند.مشکل اصلی B4C این است که گران است (حدود 10 برابر آلومینا).شکنندگی محصول کاربرد گسترده آن را به عنوان زره محافظ تک فاز محدود می کند.
05 روش تهیه سرامیک ضد گلوله
بر اساس ویژگی های فرآیند آماده سازی مواد سرامیکی، SiSiC، SSiC و تف جوشی فاز مایع در توسعه فرآیند فعلی نسبتا بالغ هستند.سه روش زینترینگ دارای هزینه تولید پایین، فرآیند آماده سازی ساده و امکان تولید انبوه بالایی هستند.با توجه به محدودیت اندازه محصول، تف جوشی با پرس گرم و پخت پرس گرم ایزواستاتیک دارای هزینه تولید بالا و بلوغ کم هستند.تف جوشی با فشار فوق العاده بالا، تف جوشی مایکروویو، تف جوشی پلاسمای جرقه ای و ذوب پرتو پلاسما روش های نسبتاً جدید آماده سازی با کمترین بلوغ هستند.با توجه به نیازهای بالای تکنولوژی و تجهیزات، هزینه های تولید آنها بالا است که منجر به امکان سنجی پایین تولید انبوه می شود.آنها اغلب در مرحله اکتشاف تجربی استفاده می شوند و برای کاربرد عملی اهمیت کمی دارند.بنابراین، تحقق صنعتی شدن برای آنها دشوار است.
06 ارتقاء سرامیک های ضد گلوله
کاربید سیلیکون و کاربید بور پتانسیل ضد گلوله بالایی دارند.با این حال، چقرمگی شکست ضعیف و شکنندگی سرامیک های تک فاز را نمی توان نادیده گرفت.با پیشرفت علم و فناوری مدرن، کارایی و صرفه جویی در سرامیک های ضد گلوله برجسته می شود که به صورت چند کاره، کارایی بالا، وزن سبک، کم هزینه و ایمنی ارائه می شود.اخیراً کارشناسان و محققان امیدوارند از طریق تنظیم میکرو، سرامیکها را تقویت، سختتر، سبکتر و صرفهجویی کنند، از جمله کامپوزیت از سیستمهای سرامیکی متعدد، سرامیکهای گرادیان کاربردی، طراحی ساختار لایهای و غیره. از نیروهای رزمی
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.با توسعه فناوری پخت، مزایای سرامیک کاربید بور بیشتر و بیشتر برجسته می شود.
زمان ارسال: دسامبر-03-2022