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탄화 규소, 탄화 붕소 및 기타 고급 세라믹의 방탄 분야 응용

탄화 규소, 탄화 붕소 및 기타 고급 세라믹의 방탄 분야 응용
일반 도자기는 부서지기 쉽습니다.현대 과학기술의 발달에 따라 경도가 좋고 강도가 높은 첨단세라믹이 됩니다.고급 세라믹은 특수한 물리적 성능이 요구되는 방탄 분야의 새로운 소재가 되어야 합니다.따라서 세라믹은 매우 인기 있는 방탄 소재가 되었습니다.
01 세라믹 소재의 방탄 원리
방탄은 방탄 사용자의 피해를 최소화하기 위해 발사체 에너지를 소비하고 발사체 속도를 늦추는 데 사용됩니다.금속 등과 같은 대부분의 전통적인 엔지니어링 재료는 구조의 소성 변형을 통해 에너지를 흡수하는 반면 세라믹 재료는 미세 분쇄 공정을 통해 에너지를 흡수합니다.

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방탄 세라믹의 에너지 흡수 과정에는 대략 세 단계가 있습니다.
1) 초기 영향 단계
발사체가 방탄 세라믹 표면에 부딪히면 탄두가 무뎌집니다.세라믹 표면을 분쇄하는 과정에서 에너지가 흡수됩니다.작고 단단한 조각 영역이 발생합니다.
2) 침식 단계
무딘 발사체는 계속해서 조각 영역을 침식하여 연속적인 세라믹 조각 층을 형성합니다.
3) 변형, 균열 및 파괴 단계
마지막으로 세라믹에 인장응력을 발생시켜 세라믹을 깨뜨린다.그러면 뒷판이 변형됩니다.나머지 에너지는 백플레이트 재료의 변형에 의해 흡수됩니다.발사체가 세라믹에 충돌하는 과정에서 발사체와 세라믹이 모두 손상됩니다.
02 방탄세라믹의 재료특성요건
세라믹의 취성으로 인해 발사체의 충격을 받는 동안 소성 변형보다는 파손됩니다.인장 하중을 받으면 기공이나 결정립계와 같은 이질적인 곳에서 먼저 파단이 발생합니다.따라서 미세응력 집중을 최소화하기 위해 방탄세라믹은 낮은 기공률(이론밀도의 99%까지)과 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

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.

 

03 가장 많이 사용되는 방탄 세라믹 소재
21세기 이후 방탄 세라믹은 급속도로 발전했다.방탄 세라믹의 종류로는 산화알루미늄, 탄화규소, 탄화붕소, 질화규소, 붕화티타늄 등이 있다. 그 중 산화알루미늄(Al2O3), 탄화규소(SiC), 탄화붕소(B4C) 세라믹이 대표적이다. 세계에서 가장 널리 알려진.
알루미나 세라믹스의 밀도가 가장 높습니다.그러나 경도는 상대적으로 낮습니다.낮은 수준의 처리 임계값으로 알루미나 세라믹의 가격도 낮습니다.알루미나의 순도에 따라 알루미나 세라믹은 85/90/95/99로 나뉩니다.해당 경도와 가격도 차례로 증가합니다.

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

재료의 특성 비교
탄화 규소 세라믹은 상대적으로 밀도가 낮고 경도가 높은 구조용 세라믹으로 비용 효율적입니다.따라서 그들은 또한 중국에서 가장 널리 사용되는 방탄 세라믹입니다.
탄화붕소 세라믹은 이러한 종류의 세라믹 중에서 밀도가 가장 낮고 경도가 가장 높습니다.한편, 그들은 또한 고온 및 고압 소결이 필요한 가공 기술에 대한 요구 사항이 높습니다.따라서 붕소 카바이드 세라믹의 가격은 세 종류의 세라믹 중에서 가장 높을 것입니다.
그림
이 세 가지 일반적인 방탄 세라믹 재료와 비교하여 알루미나 방탄 세라믹은 비용이 가장 저렴합니다.그러나 방탄 성능은 탄화규소나 탄화붕소에 비해 훨씬 떨어진다.따라서 현재 국내 방탄세라믹 제조사에서는 탄화규소와 탄화붕소 방탄세라믹이 대부분 생산되고 있는 반면, 알루미나세라믹은 국내에서 생산되는 경우가 드물다.그러나 단결정 알루미나는 광학 기능성 투명 소재로 널리 사용되는 투명 세라믹을 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 단결정 알루미나는 개인 방탄 마스크, 미사일 탐지 창, 차량 관측 창, 잠수함 잠망경 등과 같은 군사 장비에도 적용됩니다. .
04 가장 대중적인 방탄 세라믹 소재 2종 : 실리콘 카바이드 방탄 세라믹
극도로 강한 공유 결합에 따라 탄화규소는 여전히 고온에서 높은 결합력을 보입니다.이 구조적 특징은 실리콘 카바이드 세라믹에 우수한 강도, 높은 경도, 내마모성, 내식성, 높은 열전도율, 우수한 열충격 저항성 등을 포함하는 우수한 특성을 제공합니다.한편, 실리콘 카바이드 세라믹은 가격이 적당하고 비용 대비 성능이 높은 가장 유망한 고성능 갑옷 보호 재료 중 하나입니다.
실리콘 카바이드 세라믹은 보호 갑옷 재료로 간주되었습니다.그들은 갑옷 보호 분야에서 광범위한 개발 공간을 가지고 있습니다.개별 장비 및 특수 차량 분야에서의 응용 분야는 다양화되는 경향이 있습니다.비용, 특수 용도 및 기타 요인을 고려할 때 인장 응력으로 인한 세라믹의 파손을 극복하기 위해 일반적으로 작은 세라믹 패널과 복합 백플레이트를 접착하여 세라믹 복합 타겟을 형성합니다.그들은 발사체가 관통할 때 전체 갑옷을 손상시키지 않고 단 하나의 조각만 부수도록 합니다.
탄화붕소 방탄 세라믹
현재 탄화붕소는 경도가 다이아몬드와 입방정 질화붕소보다 열등한 초경질 재료입니다.경도는 최대 3000kg/mm²입니다.밀도는 2.52g/cm³로 강철의 1/3 수준입니다.높은 탄성률(450GPa)과 높은 융점(약 2447℃), 높은 열전도율을 가지고 있습니다.그러나 열팽창 계수가 낮습니다.또한 탄화붕소는 화학적 안정성, 내산성, 내알칼리성 및 내식성이 우수합니다.실온에서 탄화붕소는 산, 염기 및 대부분의 무기 화합물 액체와 반응하지 않습니다.탄화붕소는 불화수소산 황산과 불화수소산 질산의 혼합물에서만 부식이 느립니다.동시에 탄화붕소는 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 낮습니다.또한 높은 탄성률로 인해 군용 갑옷 및 우주 소재로 적합합니다.B4C의 주요 문제점은 비싸다는 것입니다(알루미나의 약 10배).제품의 취성으로 인해 단상 보호 장갑으로서의 광범위한 적용이 제한됩니다.

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05 방탄세라믹의 제조방법
세라믹 재료 준비 공정의 특성을 기반으로 SiSiC, SSiC 및 액상 소결은 현재 공정 개발에서 상대적으로 성숙합니다.3가지 소결법은 생산원가가 저렴하고 준비과정이 간단하며 대량생산 가능성이 높다.제품 크기의 제한으로 인해 열간 프레스 소결 및 열간 정수압 소결은 생산 비용이 높고 성숙도가 낮습니다.초고압 소결, 마이크로웨이브 소결, 스파크 플라즈마 소결 및 플라즈마 빔 용융은 성숙도가 가장 낮은 비교적 새로운 준비 방법입니다.기술 및 장비에 대한 높은 요구 사항으로 인해 생산 비용이 높아 대량 생산 가능성이 낮습니다.그들은 실험적인 탐색 단계에서 자주 사용되며 실제 적용에는 거의 의미가 없습니다.따라서 산업화를 실현하기 어렵다.
06 방탄 세라믹 업그레이드
탄화 규소와 탄화 붕소는 방탄 잠재력이 뛰어납니다.그러나 단상 세라믹의 열악한 파괴 인성과 취성은 무시할 수 없습니다.현대 과학기술의 발달로 방탄세라믹의 기능성과 경제성이 부각되어 다기능, 고성능, 경량화, 저비용, 안전성으로 제시되고 있다.최근 전문가와 학자들은 다중 세라믹 시스템의 복합, 기능성 그래디언트 세라믹, 적층 구조 디자인 등 미세 조정을 통해 세라믹을 강화, 강화, 경량화 및 절약하기를 희망합니다. 그러나 이 갑옷은 현재 갑옷보다 가볍기 때문에 이동성이 향상됩니다. 전투 부대의.
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.소결 기술의 발달로 탄화 붕소 세라믹의 장점이 점점 더 두드러지고 있습니다.


게시 시간: Dec-03-2022