防弾分野における炭化ケイ素、炭化ホウ素およびその他の高度なセラミックスの応用

防弾分野における炭化ケイ素、炭化ホウ素、およびその他の高度なセラミックスの応用

普通の陶器は壊れやすいです。しかし、現代の科学と技術によって処理された高度なセラミックスは、特に材料に特別な物理的性能が要求される防弾分野では、硬くて高強度の新しい材料になりました。セラミックスは非常に人気のある防弾材料になりました.

01 セラミック材料の防弾原理
装甲防御の基本原則は、発射体のエネルギーを消費し、発射体を減速させて無害にすることです。金属材料などの従来のエンジニアリング材料のほとんどは、構造の塑性変形によってエネルギーを吸収しますが、セラミック材料は、マイクロ クラッシュ プロセスによってエネルギーを吸収します。

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防弾セラミックスのエネルギー吸収プロセスは、大まかに3つの段階に分けることができます。
(1)初期衝突段階:発射体がセラミック表面に衝突し、弾頭を鈍らせ、セラミック表面を粉砕する過程でエネルギーを吸収して、小さくて硬い破片領域を形成します。
(2) 侵食段階: 鈍い発射体は破片領域を侵食し続け、連続したセラミック破片層を形成します。
(3) 変形、亀裂、破壊の段階: 最後に、セラミックに引張応力が発生してセラミックが破壊され、バック プレートが変形します。残りのエネルギーは、背板の素材の変形によって吸収されます。発射体がセラミックに衝突する過程で、発射体とセラミックの両方が損傷します。

02 材料特性に対する防弾セラミックスの要件
セラミック自体がもろいため、発射体が衝突すると、塑性変形ではなく破砕します。引張荷重下では、気孔や粒界などの不均一な場所で最初に破壊が発生します。したがって、マイクロ応力の集中を最小限に抑えるために、装甲セラミックは、気孔率が低く (理論密度の最大 99%)、微細な結晶構造を持つ高品質のセラミックでなければなりません。

材料の性能と防弾性能への影響。

パフォーマンス

防弾性能への影響

密度

装甲システムの質量

硬度

発射体の破壊の程度

弾性率

応力波伝達

強さ

対連打性能

骨折モード

対連打性能

破壊靭性(結晶間または粒内)

エネルギーを吸収する能力

微細構造

粒子サイズ、第 2 相、相変態または非晶質化、気孔率などは、すべての特性に影響します。

 

03最も一般的に使用される防弾セラミック素材
21 世紀以降、防弾セラミックスは急速に発展し、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ケイ素、ホウ化チタンなどの多くの種類が生まれました。炭化ホウ素セラミックス (B4C) が最も広く使用されています。
アルミナセラミックスの密度は最高ですが、硬度が比較的低く、加工限界が低く、価格が低くなっています。純度によると、アルミナセラミックは85/90/95/99に分けられ、対応する硬度と価格も順番に増加します。

材料

密度キロ/m3

弾性率 GN/m2

HV

アルミナに対する価格

炭化ホウ素

2500

400

30000

×10

アルミナ

3800

340

15000

1

二ホウ化チタン

4500

570

33000

×10

炭化ケイ素

3200

370

27000

×5

酸化ベリリウム

2800

415

12000

×10

B4C/SiC

2600

340

27500

×7

ガラス製品とセラミックス

2500

100

6000

1

窒化ケイ素

3200

310

17000

×5

材料特性の比較
炭化ケイ素セラミックスは、比較的低密度で高硬度の構造用セラミックスであり、費用対効果が高いです。したがって、それらは中国で最も広く使用されている防弾セラミックスでもあります。
炭化ホウ素系セラミックスは、これらのセラミックスの中で密度が最も低く、硬度が最も高い反面、高温高圧での焼結が必要な加工技術が要求されるため、コストもセラミックスの中で最も高くなります。三種類の陶器。
これらの3つの一般的な防弾セラミック材料と比較して、アルミナ防弾セラミックのコストは最も低いですが、その防弾性能は炭化ケイ素や炭化ホウ素よりもはるかに劣っています.したがって、現在、炭化ケイ素と炭化ホウ素の防弾セラミックは、主に国内の防弾セラミックメーカーで生産されていますが、アルミナセラミックはまれです。しかし、単結晶アルミナは、光学機能性透明材料として広く使用されている透明セラミックスの製造に使用でき、個々の防弾マスク、ミサイル探知窓、車両観測窓、潜水艦潜望鏡などの軍事機器に適用されています。

042大防弾セラミック素材
炭化ケイ素防弾セラミックス
炭化ケイ素の共有結合は非常に強く、高温でも高い結合力を発揮します。この構造的特徴により、炭化ケイ素セラミックスに優れた強度、高硬度、耐摩耗性、耐食性、高熱伝導率、優れた耐熱衝撃性などの特性が与えられます。同時に、炭化ケイ素セラミックは、手頃な価格と高いコストパフォーマンスを備えた最も有望な高性能装甲保護材料の1つです.
炭化ケイ素セラミックスは、装甲防護の分野で幅広い開発スペースを有しており、個々の機器や特殊車両の分野での用途は多様化する傾向にあります。保護装甲材料として、コスト、特別な用途、およびその他の要因を考慮して、小さなセラミックパネルと複合バックプレートを結合してセラミック複合ターゲットを形成し、引張応力によるセラミックの破損を克服し、単一片のみが破砕されないようにします。発射物が貫通するとアーマー全体にダメージを与えます。

炭化ホウ素防弾セラミックス
現在、炭化ホウ素は、硬度がダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素に劣るだけの超硬材料であり、硬度は最大 3000 kg/mm ² です。低密度、わずか 2.52 g/cm ³、鋼の 1/3。高弾性率、450GPa;高融点、約2447℃。熱膨張係数が低く、熱伝導率が高い。さらに、炭化ホウ素は化学的安定性が高く、酸やアルカリの腐食に強いです。常温で酸、アルカリ、ほとんどの無機化合物液と反応しません。フッ化水素酸、硫酸、フッ化水素酸、硝酸の混合物では腐食が遅いだけです。濡れておらず、ほとんどの溶融金属と相互作用します。炭化ホウ素は、他のセラミック材料にはない​​中性子を吸収する優れた能力も備えています。B4C の密度は、一般的に使用されているいくつかの装甲セラミックの中で最も低く、弾性率が高いため、軍用装甲および宇宙材料に適しています。B4C の主な問題は、その高価格 (アルミナの約 10 倍) と高い脆性であり、単相保護装甲としての幅広い用途が制限されています。

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05 防弾セラミックスの製法
セラミック材料の製造プロセスの特徴から、現在のプロセス開発では、反応焼結、常圧焼結、および液相焼結が比較的成熟していることがわかります。これら 3 つの焼結方法の製造コストは低く、準備プロセスは簡単で、大量生産の可能性が高いです。ホットプレス焼結と熱間静水圧プレス焼結は、製品サイズによって比較的制限されており、生産コストが高く、成熟度が低いです。超高圧焼結、マイクロ波焼結、放電プラズマ焼結、プラズマビーム溶融は、成熟度が最も低い比較的新しい製造方法です。ただし、技術と設備に対する要件が高く、生産コストが高く、バッチ生産の実現可能性が低い.それらは、多くの場合、実験的探査段階で使用されます。これは、実用化にはほとんど意味がなく、工業化を達成することは困難です。

06 防弾セラミックスのアップグレード
炭化ケイ素と炭化ホウ素は優れた防弾の可能性を秘めていますが、単相セラミックスの低い破壊靭性と脆性の問題は無視できません。現代の科学技術の発展には、多機能、高性能、軽量、低コスト、安​​全性など、防弾セラミックスの機能性と経済性が必要です。したがって、近年、専門家や学者は、複数のセラミックシステムの複合、機能勾配セラミック、層状構造設計などを含む、微調整を通じてセラミックを強化、強化、軽量化、および経済化することを望んでおり、そのような鎧は今日の鎧よりも軽量です。これにより、戦闘ユニットの機動性が向上します。
傾斜機能セラミックスは、微細設計による構成材料の特性の規則的な変化によって特徴付けられます。たとえば、ホウ化チタンと金属チタン、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ケイ素、金属アルミニウム、およびその他の金属/セラミック複合システムは、厚さに沿って性能が勾配変化します。高硬度から高靭性への移行。
ナノコンポジット セラミックスは、マトリックス セラミックスにサブミクロンまたはナノメートルの分散粒子を加えたものです。たとえば、SiC-Si3N4-Al2O3、B4C-SiC などは、セラミックスの硬度、靭性、および強度を向上させることができます。欧米諸国では、ナノスケールの粉末を焼結することにより、粒径が数十ナノメートルのセラミックスを製造し、材料を強化および強化する方法が研究されていると報告されています。弾道セラミックスは、この点で大きなブレークスルーを達成することが期待されています。

07 まとめ
単相セラミックであろうと多相セラミックであろうと、最高の防弾セラミック材料は依然として炭化ケイ素と炭化ホウ素から切り離すことはできません.特に炭化ホウ素材料は、焼結技術の発展に伴い、炭化ホウ素セラミックスの利点がますます際立っており、防弾分野での応用がさらに発展するでしょう。