탄화 규소, 탄화 붕소 및 기타 첨단 세라믹의 방탄 분야 응용
일반 도자기는 깨지기 쉽습니다.그러나 현대 과학 기술로 가공된 첨단 세라믹은 특히 재료에 대한 특수한 물리적 성능 요구 사항이 있는 방탄 분야에서 단단하고 고강도의 신소재가 되었습니다.도자기는 매우 인기 있는 방탄 소재가 되었습니다.
01 세라믹 재료의 방탄 원리
갑옷 보호의 기본 원칙은 발사체 에너지를 소비하고 발사체를 느리게 만들어 무해하게 만드는 것입니다.금속 재료와 같은 대부분의 전통적인 엔지니어링 재료는 구조의 소성 변형을 통해 에너지를 흡수하는 반면 세라믹 재료는 미세 분쇄 공정을 통해 에너지를 흡수합니다.
방탄 세라믹의 에너지 흡수 과정은 크게 세 단계로 나눌 수 있습니다.
(1) 초기 충격 단계: 발사체가 세라믹 표면에 충돌하여 탄두를 무디게 만들고 세라믹 표면을 분쇄하는 과정에서 에너지를 흡수하여 작고 단단한 조각 영역을 형성합니다.
(2) 침식 단계: 무딘 발사체가 파편 영역을 계속 침식하여 연속적인 세라믹 파편 층을 형성합니다.
(3) 변형, 균열 및 파단 단계: 마지막으로 세라믹에 인장 응력이 발생하여 세라믹이 파손된 후 후면 플레이트가 변형됩니다.나머지 에너지는 백플레이트 재료의 변형에 의해 흡수됩니다.발사체가 세라믹에 충돌하는 과정에서 발사체와 세라믹이 모두 손상됩니다.
02 방탄세라믹의 재료특성요건
세라믹 자체의 취성으로 인해 발사체의 충격을 받았을 때 소성 변형보다는 파손됩니다.인장 하중을 받으면 기공이나 결정립계와 같은 이질적인 곳에서 먼저 파단이 발생합니다.따라서 미세응력집중을 최소화하기 위해서는 기공률이 낮고(이론밀도의 99%까지) 미세한 입자구조를 가진 고품질 세라믹이어야 한다.
재료 성능과 방탄 성능에 미치는 영향.
| 성능 | 방탄 성능에 미치는 영향 |
| 밀도 | 갑옷 시스템의 질량 |
| 경도 | 발사체 파괴 정도 |
| 탄성계수 | 응력파 전송 |
| 힘 | 안티 멀티 스트라이크 성능 |
| 골절 모드 | 안티 멀티 스트라이크 성능 |
| 파괴 인성(결정간 또는 입내) | 에너지 흡수 능력 |
| 미세구조 | 입자 크기, 2차 상, 상 변형 또는 비정질화, 다공성 등은 모든 특성에 영향을 미칩니다. |
03가장 많이 사용되는 방탄 세라믹 소재
21세기 이후 방탄 세라믹은 산화알루미늄, 탄화규소, 탄화붕소, 질화규소, 붕화티타늄 등 여러 종류로 급속히 발전했다. 탄화붕소 세라믹(B4C)이 가장 널리 사용됩니다.
알루미나 세라믹스의 밀도는 가장 높지만 경도가 상대적으로 낮고 가공 임계 값이 낮으며 가격이 저렴합니다.알루미나 세라믹은 순도에 따라 85/90/95/99로 나뉘며 이에 상응하는 경도와 가격도 차례로 상승한다.
| 재료 | 밀도 Kg/m3 | 탄성 계수 GN/m2 | HV | 알루미나 대비 가격 |
| 탄화붕소 | 2500 | 400 | 30000 | x 10 |
| 알루미나 | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| 이붕화티타늄 | 4500 | 570 | 33000 | x 10 |
| 실리콘 카바이드 | 3200 | 370 | 27000 | x 5 |
| 베릴륨 산화물 | 2800 | 415 | 12000 | x 10 |
| B4C/SiC | 2600 | 340 | 27500 | x 7 |
| 유리 제품 및 도자기 | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| 질화규소 | 3200 | 310 | 17000 | x 5 |
재료 특성 비교
탄화 규소 세라믹은 상대적으로 밀도가 낮고 경도가 높은 구조용 세라믹으로 비용 효율적입니다.따라서 그들은 또한 중국에서 가장 널리 사용되는 방탄 세라믹입니다.
탄화 붕소 세라믹은 이러한 종류의 세라믹 중에서 밀도가 가장 낮고 경도가 가장 높지만 동시에 고온 및 고압 소결이 필요한 가공 기술에 대한 요구 사항이 높기 때문에 비용도 가장 높습니다. 세 종류의 도자기.
이 세 가지 일반적인 방탄 세라믹 재료와 비교할 때 알루미나 방탄 세라믹의 비용은 가장 낮지 만 방탄 성능은 탄화 규소 및 탄화 붕소보다 훨씬 떨어집니다.따라서 현재 국내 방탄세라믹 제조사에서는 탄화규소와 탄화붕소 방탄세라믹이 대부분 생산되고 있는 반면 알루미나세라믹은 드물다.그러나 단결정 알루미나는 투명세라믹을 제조할 수 있어 광학기능성 투명소재로 널리 사용되고 있으며 개인용 방탄마스크, 미사일 탐지창, 차량 관측창, 잠수함 잠망경 등 군수장비에 적용되고 있다.
04가장 대중적인 방탄 세라믹 소재 2종
실리콘 카바이드 방탄 세라믹
실리콘 카바이드의 공유 결합은 매우 강하며 고온에서 여전히 고강도 결합을 유지합니다.이 구조적 특징은 실리콘 카바이드 세라믹에 우수한 강도, 높은 경도, 내마모성, 내식성, 높은 열전도율, 우수한 열충격 저항성 및 기타 특성을 제공합니다.동시에 실리콘 카바이드 세라믹은 적당한 가격과 높은 비용 성능을 갖춘 가장 유망한 고성능 갑옷 보호 재료 중 하나입니다.
실리콘 카바이드 세라믹은 갑옷 보호 분야에서 광범위한 개발 공간을 가지고 있으며 개별 장비 및 특수 차량 분야에서 응용 분야가 다양화되는 경향이 있습니다.보호 장갑 재료로서 비용, 특수 적용 및 기타 요인을 고려하여 인장 응력으로 인한 세라믹의 파손을 극복하고 단 하나의 조각만 부서지지 않도록 하기 위해 일반적으로 소형 세라믹 패널과 복합 백플레이트를 결합하여 세라믹 복합 타겟을 형성합니다. 발사체가 관통할 때 갑옷 전체를 손상시킵니다.
탄화붕소 방탄 세라믹
현재 탄화붕소는 경도가 다이아몬드 및 입방정 질화붕소보다 열등한 초경질 재료이며 경도는 최대 3000kg/mm ²입니다.높은 탄성 계수, 450GPa;높은 융점, 약 2447℃;열팽창 계수가 낮고 열전도율이 높습니다.또한 탄화 붕소는 화학적 안정성이 우수하고 산 및 알칼리 부식에 강합니다.실온에서 산, 알칼리 및 대부분의 무기 화합물 액체와 반응하지 않습니다.불화 수소산 황산 및 불화 수소산 질산 혼합물에서만 부식이 느립니다.젖지 않으며 대부분의 용융 금속과 상호 작용합니다.탄화붕소는 또한 다른 세라믹 재료에는 없는 중성자 흡수 능력이 뛰어납니다.B4C의 밀도는 일반적으로 사용되는 여러 갑옷 세라믹 중에서 가장 낮으며 높은 탄성 계수로 인해 군용 갑옷 및 우주 재료에 적합합니다.B4C의 주요 문제점은 높은 가격(알루미나의 약 10배)과 높은 취성으로 인해 단상 보호 장갑으로의 광범위한 적용이 제한됩니다.
05 방탄세라믹의 제조방법
반응 소결, 무압 소결 및 액상 소결이 현재 공정 개발에서 상대적으로 성숙하다는 것은 세라믹 재료의 준비 공정의 특성에서 볼 수 있습니다.이 3가지 소결방식은 생산원가가 낮고, 준비과정이 간단하며, 대량생산 가능성이 높다.열간 압착 소결 및 열간 정수압 압착 소결은 생산 비용이 높고 성숙도가 낮은 제품 크기에 따라 상대적으로 제한됩니다.초고압 소결, 마이크로웨이브 소결, 스파크 플라즈마 소결 및 플라즈마 빔 용융은 성숙도가 가장 낮은 비교적 새로운 준비 방법입니다.그러나 기술 및 장비에 대한 요구 사항이 높고 생산 비용이 높으며 배치 생산 가능성이 낮습니다.실험적 탐색 단계에서 자주 사용되는데, 이는 실제 응용에 대한 중요성이 적고 산업화를 달성하기 어렵습니다.
06 방탄 세라믹 업그레이드
탄화 규소와 탄화 붕소는 방탄 잠재력이 크지만 단상 세라믹의 열악한 파괴 인성 및 취성 문제는 무시할 수 없습니다.현대 과학 기술의 발전은 다기능, 고성능, 경량, 저비용 및 안전성과 같은 방탄 세라믹의 기능성과 경제성을 요구합니다.따라서 최근 몇 년 동안 전문가와 학자들은 다중 세라믹 시스템의 복합, 기능적 경사 세라믹, 적층 구조 설계 등을 포함하여 미세 조정을 통해 세라믹을 강화, 강화, 경량화 및 절약하기를 희망하며 이러한 갑옷은 오늘날의 갑옷보다 가볍고, 전투 유닛의 이동성을 더 잘 향상시킵니다.
기능성 그래디언트 세라믹은 마이크로 디자인을 통해 구성 재료의 특성이 규칙적으로 변화하는 것이 특징입니다.예를 들어, 산화알루미늄, 탄화규소, 탄화붕소, 질화규소 및 금속 알루미늄 및 기타 금속/세라믹 복합 시스템뿐만 아니라 티타늄 붕화물 및 금속 티타늄은 두께에 따라 성능이 구배 변화합니다. 고경도에서 고인성으로의 전환.
나노복합 세라믹은 매트릭스 세라믹에 추가된 서브미크론 또는 나노미터 분산 입자로 구성됩니다.예를 들어, SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC 등은 세라믹의 경도, 인성 및 강도를 향상시킬 수 있습니다.서방 국가에서는 나노 크기의 분말을 소결하여 수십 나노미터의 입자 크기를 가진 세라믹을 제조하여 재료를 강화하고 강화하는 방법을 연구하고 있는 것으로 알려졌습니다.탄도 세라믹은 이와 관련하여 주요 돌파구를 달성할 것으로 예상됩니다.
07 요약
단상 세라믹이든 다상 세라믹이든 최고의 방탄 세라믹 재료는 여전히 탄화 규소 및 탄화 붕소와 분리 할 수 없습니다.특히 탄화 붕소 재료는 소결 기술의 발전과 함께 탄화 붕소 세라믹의 장점이 점점 더 뛰어나고 방탄 분야에서의 적용이 더욱 발전 될 것입니다.