APPLICATION DU CARBURE DE SILICIUM, DU CARBURE DE BORE ET D'AUTRES CÉRAMIQUES AVANCÉES DANS LE CHAMP À L'ÉPREUVE DES BALLES
La céramique ordinaire est fragile.Cependant, les céramiques avancées traitées par la science et la technologie modernes sont devenues un nouveau matériau dur et à haute résistance, en particulier dans le domaine pare-balles avec des exigences de performances physiques particulières pour les matériaux.La céramique est devenue un matériau pare-balles très populaire.
01 Principe anti-balles des matériaux céramiques
Le principe de base de la protection blindée est de consommer l'énergie du projectile, de ralentir le projectile et de le rendre inoffensif.La plupart des matériaux d'ingénierie traditionnels, tels que les matériaux métalliques, absorbent l'énergie par déformation plastique de la structure, tandis que les matériaux céramiques absorbent l'énergie par un processus de micro-écrasement.
Le processus d'absorption d'énergie de la céramique pare-balles peut être grossièrement divisé en trois étapes :
(1) Étape d'impact initiale : le projectile frappe la surface de la céramique, ce qui rend l'ogive émoussée et absorbe l'énergie lors du processus d'écrasement de la surface de la céramique pour former une petite zone de fragment dur ;
(2) Stade d'érosion : le projectile contondant continue d'éroder la zone de fragment, formant une couche de fragment de céramique continue ;
(3) Étapes de déformation, de fissure et de fracture : enfin, une contrainte de traction est générée dans la céramique pour casser la céramique, puis la plaque arrière est déformée.L'énergie restante est absorbée par la déformation du matériau de la plaque arrière.Lors de l'impact du projectile sur la céramique, le projectile et la céramique sont endommagés.
02 Exigences de la céramique pare-balles sur les propriétés des matériaux
En raison de la fragilité de la céramique elle-même, elle se fracturera plutôt que de se déformer plastiquement lorsqu'elle sera impactée par le projectile.Sous une charge de traction, la rupture se produit d'abord dans des endroits hétérogènes tels que les pores et les joints de grains.Par conséquent, afin de minimiser la concentration de micro-contraintes, les céramiques blindées doivent être des céramiques de haute qualité avec une faible porosité (jusqu'à 99 % de la densité théorique) et une structure à grains fins.
Performance des matériaux et son influence sur les performances à l'épreuve des balles.
| Performance | Impact sur les performances à toute épreuve |
| La densité | Masse du système d'armure |
| Dureté | Degré de destruction des projectiles |
| Module d'élasticité | Transmission des ondes de stress |
| Force | Performance anti-coups multiples |
| Mode rupture | Performance anti-coups multiples |
| Résistance à la rupture (intercristalline ou transgranulaire) | Capacité à absorber l'énergie |
| Microstructure | La taille des grains, la seconde phase, la transformation ou l'amorphisation de phase, la porosité, etc. affectent toutes les propriétés. |
03Les matériaux céramiques pare-balles les plus couramment utilisés
Depuis le 21ème siècle, les céramiques pare-balles se sont développées rapidement avec de nombreux types, y compris l'oxyde d'aluminium, le carbure de silicium, le carbure de bore, le nitrure de silicium, le borure de titane, etc. Parmi eux, la céramique d'oxyde d'aluminium (Al2O3), la céramique de carbure de silicium (SiC) et les céramiques au carbure de bore (B4C) sont les plus utilisées.
La densité de la céramique d'alumine est la plus élevée, mais la dureté est relativement faible, le seuil de traitement est bas et le prix est bas.Selon la pureté, les céramiques d'alumine sont divisées en 85/90/95/99, et la dureté et le prix correspondants sont également augmentés à leur tour.
| Matériel | Densité Kg/m3 | Module d'élasticité GN/m2 | HV | Prix par rapport à l'alumine |
| Carbure de bore | 2500 | 400 | 30000 | x10 |
| Alumine | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| Diborure de titane | 4500 | 570 | 33000 | x10 |
| Carbure de silicium | 3200 | 370 | 27000 | x5 |
| Oxyde de béryllium | 2800 | 415 | 12000 | x10 |
| B4C/SiC | 2600 | 340 | 27500 | x7 |
| Verrerie et Céramique | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| Nitrure de silicium | 3200 | 310 | 17000 | x5 |
Comparaison des propriétés des matériaux
Les céramiques au carbure de silicium sont des céramiques structurelles de densité relativement faible et de dureté élevée, qui sont rentables.Par conséquent, ce sont également les céramiques pare-balles les plus utilisées en Chine.
Les céramiques au carbure de bore ont la densité la plus faible et la dureté la plus élevée parmi ces types de céramiques, mais en même temps, elles ont également des exigences élevées en matière de technologie de traitement, nécessitant un frittage à haute température et à haute pression, de sorte que le coût est également le plus élevé parmi les trois sortes de céramiques.
Comparé à ces trois matériaux céramiques pare-balles courants, le coût de la céramique pare-balles en alumine est le plus bas, mais ses performances pare-balles sont bien inférieures à celles du carbure de silicium et du carbure de bore.Par conséquent, à l'heure actuelle, les céramiques pare-balles en carbure de silicium et en carbure de bore sont principalement produites par des fabricants nationaux de céramiques pare-balles, tandis que les céramiques d'alumine sont rares.Cependant, l'alumine monocristalline peut être utilisée pour préparer des céramiques transparentes, qui sont largement utilisées comme matériaux transparents fonctionnels optiques, et sont appliquées à des équipements militaires tels que des masques pare-balles individuels, des fenêtres de détection de missiles, des fenêtres d'observation de véhicules, des périscopes sous-marins, etc.
04Les deux matériaux céramiques pare-balles les plus populaires
Céramique pare-balles en carbure de silicium
La liaison covalente du carbure de silicium est extrêmement solide et présente toujours une liaison à haute résistance à des températures élevées.Cette caractéristique structurelle confère aux céramiques au carbure de silicium une excellente résistance, une dureté élevée, une résistance à l'usure, une résistance à la corrosion, une conductivité thermique élevée, une bonne résistance aux chocs thermiques et d'autres propriétés;Dans le même temps, la céramique de carbure de silicium est l'un des matériaux de protection d'armure haute performance les plus prometteurs avec un prix modéré et des performances de coût élevées.
Les céramiques au carbure de silicium ont un large espace de développement dans le domaine de la protection des blindages, et leurs applications dans les domaines des équipements individuels et des véhicules spéciaux tendent à se diversifier.En tant que matériau d'armure de protection, compte tenu du coût, de l'application spéciale et d'autres facteurs, de petits panneaux en céramique et des plaques arrière composites sont généralement collés pour former des cibles composites en céramique afin de surmonter la défaillance de la céramique due à la contrainte de traction et de garantir que seules des pièces uniques sont écrasées sans endommageant toute l'armure lorsque le projectile pénètre.
Céramique pare-balles en carbure de bore
À l'heure actuelle, le carbure de bore est un matériau super dur dont la dureté est seulement inférieure au diamant et au nitrure de bore cubique, et la dureté peut atteindre 3000 kg/mm²； Faible densité, seulement 2,52 g/cm³， 1/3 d'acier ;Module élastique élevé, 450GPa ;Point de fusion élevé, environ 2447 ℃ ;Son coefficient de dilatation thermique est faible et sa conductivité thermique est élevée.De plus, le carbure de bore a une bonne stabilité chimique et résiste à la corrosion acide et alcaline.Il ne réagit pas avec les acides et les alcalis et la plupart des liquides composés inorganiques à température ambiante.Il n'a de corrosion lente que dans les mélanges d'acide fluorhydrique, d'acide sulfurique et d'acide fluorhydrique, d'acide nitrique;Il n'est pas mouillé et interagit avec la plupart des métaux en fusion.Le carbure de bore a également une bonne capacité à absorber les neutrons, ce que les autres matériaux céramiques n'ont pas.La densité de B4C est la plus faible parmi plusieurs céramiques d'armure couramment utilisées, et son module d'élasticité élevé en fait un bon choix pour les armures militaires et les matériaux spatiaux.Les principaux problèmes du B4C sont son prix élevé (environ 10 fois celui de l'alumine) et sa grande fragilité, qui limitent sa large application en tant qu'armure de protection monophasée.
05 Méthode de préparation de la céramique pare-balles
Il ressort des caractéristiques du procédé de préparation des matériaux céramiques que le frittage par réaction, le frittage sans pression et le frittage en phase liquide sont relativement matures dans le développement actuel du procédé.Les coûts de production de ces trois méthodes de frittage sont faibles, le processus de préparation est simple et la possibilité de production en série est élevée.Le frittage par pressage à chaud et le frittage par pressage isostatique à chaud sont relativement limités par la taille du produit, avec un coût de production élevé et une faible maturité.Le frittage à ultra haute pression, le frittage par micro-ondes, le frittage par plasma à étincelles et la fusion par faisceau de plasma sont des méthodes de préparation relativement nouvelles avec la plus faible maturité.Cependant, ils ont des exigences élevées en matière de technologie et d'équipement, des coûts de production élevés et une faible faisabilité de la production par lots.Ils sont souvent utilisés dans la phase d'exploration expérimentale, peu significative pour les applications pratiques et difficile à industrialiser.
06 Mise à niveau de la céramique pare-balles
Bien que le carbure de silicium et le carbure de bore aient un grand potentiel pare-balles, les problèmes de faible ténacité à la rupture et de fragilité des céramiques monophasées ne peuvent être ignorés.Le développement de la science et de la technologie modernes nécessite la fonctionnalité et l'économie de la céramique pare-balles : multifonction, haute performance, légèreté, faible coût et sécurité.Par conséquent, ces dernières années, les experts et les universitaires espèrent renforcer, durcir, alléger et économiser la céramique grâce au micro-ajustement, y compris le composite de plusieurs systèmes céramiques, la céramique à gradient fonctionnel, la conception de la structure en couches, etc., et une telle armure est plus légère que l'armure d'aujourd'hui, ce qui améliore mieux la mobilité des unités de combat.
Les céramiques à gradient fonctionnel se caractérisent par des changements réguliers dans les propriétés des matériaux composants grâce à la micro-conception.Par exemple, le borure de titane et le titane métallique ainsi que l'oxyde d'aluminium, le carbure de silicium, le carbure de bore, le nitrure de silicium et l'aluminium métallique et d'autres systèmes composites métal/céramique ont un gradient de performance le long de l'épaisseur, c'est-à-dire pour préparer des céramiques pare-balles qui passage d'une dureté élevée à une ténacité élevée.
Les céramiques nanocomposites sont composées de particules dispersées submicroniques ou nanométriques ajoutées à la céramique de la matrice.Par exemple, SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC, etc. peuvent améliorer la dureté, la ténacité et la résistance des céramiques.Il est rapporté que les pays occidentaux étudient comment préparer des céramiques avec une granulométrie de dizaines de nanomètres en frittant des poudres nanométriques, afin de renforcer et de durcir les matériaux.La céramique balistique devrait réaliser une percée majeure à cet égard.
07 Sommaire
Qu'il s'agisse de céramiques monophasées ou de céramiques multiphasées, les meilleurs matériaux céramiques pare-balles sont encore indissociables du carbure de silicium et du carbure de bore.En particulier les matériaux en carbure de bore, avec le développement de la technologie de frittage, les avantages de la céramique en carbure de bore sont de plus en plus remarquables et leurs applications dans le domaine pare-balles seront encore développées.