APLIKASI SILIKON KARBIDA, BORON KARBIDA DAN KERAMIK CANGGIH LAINNYA DI LAPANGAN TAHAN PELURU
Keramik biasa rapuh.Namun, keramik canggih yang diproses oleh sains dan teknologi modern telah menjadi material baru yang keras dan berkekuatan tinggi, terutama di bidang antipeluru dengan persyaratan kinerja fisik khusus untuk material.Keramik telah menjadi bahan antipeluru yang sangat populer.
01 Prinsip anti peluru dari bahan keramik
Prinsip dasar perlindungan lapis baja adalah mengonsumsi energi proyektil, memperlambat proyektil, dan membuatnya tidak berbahaya.Sebagian besar bahan rekayasa tradisional, seperti bahan logam, menyerap energi melalui deformasi plastis struktur, sedangkan bahan keramik menyerap energi melalui proses penghancuran mikro.
Proses penyerapan energi keramik antipeluru secara kasar dapat dibagi menjadi tiga tahap:
(1) Tahap tumbukan awal: proyektil menghantam permukaan keramik, membuat hulu ledak tumpul, dan menyerap energi dalam proses menghancurkan permukaan keramik untuk membentuk area fragmen kecil dan keras;
(2) Tahap erosi: proyektil tumpul terus mengikis area fragmen, membentuk lapisan fragmen keramik yang kontinu;
(3) Tahap deformasi, retak dan patah: akhirnya, tegangan tarik dihasilkan pada keramik untuk mematahkan keramik, dan kemudian pelat belakang berubah bentuk.Energi yang tersisa diserap oleh deformasi bahan pelat belakang.Dalam proses proyektil menabrak keramik, baik proyektil maupun keramiknya rusak.
02 Persyaratan keramik antipeluru pada sifat material
Karena kerapuhan keramik itu sendiri, ia akan patah daripada deformasi plastis saat terkena proyektil.Di bawah beban tarik, fraktur pertama kali terjadi di tempat yang heterogen seperti pori dan batas butir.Oleh karena itu, untuk meminimalkan konsentrasi tegangan mikro, keramik lapis baja harus merupakan keramik berkualitas tinggi dengan porositas rendah (hingga 99% dari kerapatan teoretis) dan struktur butiran halus.
Performa Material dan Pengaruhnya Terhadap Performa Anti Peluru.
| Pertunjukan | Berdampak pada kinerja antipeluru |
| Kepadatan | Massa sistem armor |
| Kekerasan | Tingkat kehancuran proyektil |
| Modulus elastis | Transmisi gelombang tegangan |
| Kekuatan | Performa anti serangan berganda |
| Modus fraktur | Performa anti serangan berganda |
| Ketangguhan retak (intercrystalline atau transgranular) | Kemampuan untuk menyerap energi |
| Mikrostruktur | Ukuran butir, fase kedua, transformasi fase atau amorfisasi, porositas, dll. Mempengaruhi semua properti. |
03Bahan keramik antipeluru yang paling umum digunakan
Sejak abad ke-21, keramik antipeluru berkembang pesat dengan berbagai macam jenisnya, antara lain aluminium oksida, silikon karbida, boron karbida, silikon nitrida, titanium borida, dll. Diantaranya keramik aluminium oksida (Al2O3), keramik silikon karbida (SiC), dan keramik boron karbida (B4C) adalah yang paling banyak digunakan.
Kepadatan keramik alumina adalah yang tertinggi, tetapi kekerasannya relatif rendah, ambang pemrosesannya rendah, dan harganya rendah.Menurut kemurniannya, keramik alumina dibagi menjadi 85/90/95/99, dan kekerasan dan harga yang sesuai juga meningkat pada gilirannya.
| Bahan | Kepadatan Kg/m3 | Modulus elastis GN/m2 | HV | Harga relatif terhadap alumina |
| Boron karbida | 2500 | 400 | 30000 | x 10 |
| Alumina | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| Titanium diborida | 4500 | 570 | 33000 | x 10 |
| Silikon karbida | 3200 | 370 | 27000 | x 5 |
| berilium oksida | 2800 | 415 | 12000 | x 10 |
| B4C/SiC | 2600 | 340 | 27500 | x 7 |
| Gelas dan Keramik | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| Silikon nitrida | 3200 | 310 | 17000 | x 5 |
Perbandingan sifat material
Keramik silikon karbida adalah keramik struktural dengan kerapatan relatif rendah dan kekerasan tinggi, yang hemat biaya.Oleh karena itu, mereka juga merupakan keramik antipeluru yang paling banyak digunakan di China.
Keramik boron karbida memiliki kerapatan terendah dan kekerasan tertinggi di antara jenis keramik ini, tetapi pada saat yang sama, mereka juga memiliki persyaratan tinggi untuk teknologi pemrosesan, yang membutuhkan sintering suhu tinggi dan tekanan tinggi, sehingga biayanya juga paling tinggi di antara ketiga jenis keramik tersebut.
Dibandingkan dengan tiga bahan keramik antipeluru yang umum ini, biaya keramik antipeluru alumina adalah yang terendah, tetapi kinerja antipelurunya jauh lebih rendah daripada silikon karbida dan boron karbida.Oleh karena itu, keramik antipeluru silikon karbida dan boron karbida saat ini banyak diproduksi oleh produsen keramik antipeluru dalam negeri, sedangkan keramik alumina langka.Namun, alumina kristal tunggal dapat digunakan untuk menyiapkan keramik transparan, yang banyak digunakan sebagai bahan transparan fungsional optik, dan diterapkan pada peralatan militer seperti topeng antipeluru individu, jendela deteksi rudal, jendela observasi kendaraan, periskop kapal selam, dll.
04Dua bahan keramik antipeluru yang paling populer
Keramik antipeluru silikon karbida
Ikatan kovalen silikon karbida sangat kuat, dan masih memiliki ikatan kekuatan tinggi pada suhu tinggi.Fitur struktural ini memberikan keramik silikon karbida kekuatan yang sangat baik, kekerasan tinggi, ketahanan aus, ketahanan korosi, konduktivitas termal yang tinggi, ketahanan kejut termal yang baik dan sifat lainnya;Pada saat yang sama, keramik silikon karbida adalah salah satu bahan perlindungan lapis baja berperforma tinggi yang paling menjanjikan dengan harga sedang dan kinerja berbiaya tinggi.
Keramik silikon karbida memiliki ruang pengembangan yang luas di bidang perlindungan lapis baja, dan penerapannya di bidang peralatan individu dan kendaraan khusus cenderung beragam.Sebagai bahan pelindung pelindung, dengan mempertimbangkan biaya, aplikasi khusus dan faktor lainnya, panel keramik kecil dan pelat belakang komposit biasanya diikat untuk membentuk target komposit keramik untuk mengatasi kegagalan keramik akibat tegangan tarik, dan memastikan bahwa hanya potongan tunggal yang hancur tanpa merusak seluruh armor saat proyektil menembus.
Keramik antipeluru boron karbida
Saat ini, boron karbida adalah bahan super keras yang kekerasannya hanya kalah dengan intan dan kubik boron nitrida, dan kekerasannya mencapai 3000 kg/mm²； Kepadatan rendah, hanya 2,52g/cm³, 1/3 dari baja;Modulus elastisitas tinggi, 450GPa;Titik lebur tinggi, sekitar 2447 ℃;Koefisien ekspansi termalnya rendah dan konduktivitas termalnya tinggi.Selain itu, boron karbida memiliki stabilitas kimia yang baik dan tahan terhadap korosi asam dan alkali.Itu tidak bereaksi dengan cairan asam dan alkali dan sebagian besar senyawa anorganik pada suhu kamar.Ini hanya memiliki korosi lambat dalam campuran asam sulfat asam hidrofluorat dan asam nitrat asam hidrofluorik;Itu tidak dibasahi dan berinteraksi dengan sebagian besar logam cair.Boron karbida juga memiliki kemampuan menyerap neutron yang baik, yang tidak dimiliki oleh bahan keramik lainnya.Kepadatan B4C adalah yang terendah di antara beberapa keramik lapis baja yang umum digunakan, dan modulus elastisitasnya yang tinggi menjadikannya pilihan yang baik untuk bahan lapis baja militer dan luar angkasa.Masalah utama B4C adalah harganya yang mahal (sekitar 10 kali lipat harga alumina) dan kerapuhannya yang tinggi, yang membatasi penerapannya yang luas sebagai armor pelindung fase tunggal.
05 Cara pembuatan keramik antipeluru
Hal ini terlihat dari karakteristik proses preparasi bahan keramik yaitu sintering reaksi, sintering tanpa tekanan dan sintering fasa cair relatif matang dalam perkembangan proses saat ini.Biaya produksi ketiga metode sintering ini rendah, proses persiapannya sederhana, dan kemungkinan produksi massal tinggi.Sintering pengepresan panas dan sintering pengepresan isostatik panas relatif dibatasi oleh ukuran produk, dengan biaya produksi yang tinggi dan kematangan yang rendah.Sintering bertekanan sangat tinggi, sintering gelombang mikro, sintering plasma percikan, dan peleburan berkas plasma adalah metode persiapan yang relatif baru dengan kematangan terendah.Namun, mereka memiliki persyaratan teknologi dan peralatan yang tinggi, biaya produksi yang tinggi, dan kelayakan produksi batch yang rendah.Mereka sering digunakan dalam tahap eksplorasi eksperimental, yang tidak begitu penting untuk aplikasi praktis dan sulit untuk mencapai industrialisasi.
06 Peningkatan keramik antipeluru
Meskipun silikon karbida dan boron karbida memiliki potensi antipeluru yang besar, masalah ketangguhan retak yang buruk dan kerapuhan keramik fase tunggal tidak dapat diabaikan.Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi modern membutuhkan fungsionalitas dan ekonomi keramik antipeluru: multifungsi, kinerja tinggi, bobot ringan, biaya rendah, dan keamanan.Oleh karena itu, dalam beberapa tahun terakhir, para ahli dan cendekiawan berharap untuk memperkuat, memperkuat, meringankan, dan menghemat keramik melalui penyesuaian mikro, termasuk komposit dari beberapa sistem keramik, keramik gradien fungsional, desain struktur berlapis, dll., dan pelindung semacam itu lebih ringan daripada pelindung saat ini. yang lebih baik meningkatkan mobilitas unit tempur.
Keramik gradien fungsional ditandai dengan perubahan reguler pada sifat bahan komponen melalui desain mikro.Misalnya, titanium borida dan logam titanium serta aluminium oksida, silikon karbida, boron karbida, silikon nitrida dan logam aluminium dan sistem komposit logam/keramik lainnya memiliki perubahan gradien dalam kinerja sepanjang ketebalan, yaitu untuk menyiapkan keramik antipeluru yang transisi dari kekerasan tinggi ke ketangguhan tinggi.
Keramik nanokomposit terdiri dari partikel terdispersi submikron atau nanometer yang ditambahkan ke keramik matriks.Misalnya, SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC, dll. Dapat meningkatkan kekerasan, ketangguhan, dan kekuatan keramik.Dilaporkan bahwa negara-negara barat sedang mempelajari bagaimana menyiapkan keramik dengan ukuran butiran puluhan nanometer dengan menyinter bubuk berskala nano, untuk memperkuat dan memperkuat material.Keramik balistik diharapkan mencapai terobosan besar dalam hal ini.
07 Ringkasan
Apakah itu keramik fase tunggal atau keramik multifase, bahan keramik antipeluru terbaik masih tidak dapat dipisahkan dari silikon karbida dan boron karbida.Terutama bahan boron karbida, dengan perkembangan teknologi sintering, keunggulan keramik boron karbida semakin menonjol, dan penerapannya di bidang antipeluru akan dikembangkan lebih lanjut.