APLIKASI KARBIDA SILIKON, KARBIDA BORON DAN SERAMIK CANGGIH LAIN DALAM LADANG KALIS PELURU
Seramik biasa rapuh.Walau bagaimanapun, seramik termaju yang diproses oleh sains dan teknologi moden telah menjadi bahan baharu yang keras dan berkekuatan tinggi, terutamanya dalam bidang kalis peluru dengan keperluan prestasi fizikal khas untuk bahan.Seramik telah menjadi bahan kalis peluru yang sangat popular.
01 Prinsip kalis peluru bagi bahan seramik
Prinsip asas perlindungan perisai adalah menggunakan tenaga peluru, melambatkan peluru dan menjadikannya tidak berbahaya.Kebanyakan bahan kejuruteraan tradisional, seperti bahan logam, menyerap tenaga melalui ubah bentuk plastik struktur, manakala bahan seramik menyerap tenaga melalui proses penghancuran mikro.
Proses penyerapan tenaga seramik kalis peluru boleh dibahagikan secara kasar kepada tiga peringkat:
(1) Peringkat hentaman awal: peluru terkena permukaan seramik, menjadikan kepala peledak tumpul, dan menyerap tenaga dalam proses menghancurkan permukaan seramik untuk membentuk kawasan serpihan yang kecil dan keras;
(2) Peringkat hakisan: peluru tumpul terus menghakis kawasan serpihan, membentuk lapisan serpihan seramik berterusan;
(3) Peringkat ubah bentuk, retak dan patah: akhirnya, tegasan tegangan dijana dalam seramik untuk memecahkan seramik, dan kemudian plat belakang berubah bentuk.Tenaga yang tinggal diserap oleh ubah bentuk bahan plat belakang.Dalam proses peluru yang memberi kesan kepada seramik, kedua-dua peluru dan seramik rosak.
02 Keperluan seramik kalis peluru pada sifat bahan
Kerana kerapuhan seramik itu sendiri, ia akan patah dan bukannya ubah bentuk plastik apabila terkena peluru.Di bawah beban tegangan, patah pertama berlaku di tempat yang heterogen seperti liang dan sempadan butiran.Oleh itu, untuk meminimumkan kepekatan tegasan mikro, seramik berperisai haruslah seramik berkualiti tinggi dengan keliangan rendah (sehingga 99% daripada ketumpatan teori) dan struktur butiran halus.
Prestasi Bahan dan Pengaruhnya terhadap Prestasi kalis peluru.
| Prestasi | Kesan pada prestasi kalis peluru |
| Ketumpatan | Sistem perisai jisim |
| Kekerasan | Tahap kemusnahan projektil |
| Modulus elastik | Penghantaran gelombang tekanan |
| Kekuatan | Prestasi anti pelbagai mogok |
| Mod patah | Prestasi anti pelbagai mogok |
| Keliatan patah (antara kristal atau transgranular) | Keupayaan untuk menyerap tenaga |
| Struktur mikro | Saiz butiran, fasa kedua, transformasi fasa atau amorfisasi, keliangan, dsb. mempengaruhi semua sifat. |
03Bahan seramik kalis peluru yang paling biasa digunakan
Sejak abad ke-21, seramik kalis peluru telah berkembang pesat dengan pelbagai jenis, termasuk aluminium oksida, silikon karbida, boron karbida, silikon nitrida, titanium borida, dll. Antaranya, seramik aluminium oksida (Al2O3), seramik silikon karbida (SiC), dan seramik boron karbida (B4C) adalah yang paling banyak digunakan.
Ketumpatan seramik alumina adalah yang tertinggi, tetapi kekerasannya agak rendah, ambang pemprosesan rendah, dan harganya rendah.Mengikut ketulenan, seramik alumina dibahagikan kepada 85/90/95/99, dan kekerasan dan harga yang sepadan juga meningkat secara bergilir.
| bahan | Ketumpatan Kg/m3 | Modulus elastik GN/m2 | HV | Harga relatif kepada 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 |
| Barangan kaca dan Seramik | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| Silikon nitrida | 3200 | 310 | 17000 | x 5 |
Perbandingan sifat bahan
Seramik silikon karbida adalah seramik berstruktur dengan ketumpatan yang agak rendah dan kekerasan yang tinggi, yang menjimatkan kos.Oleh itu, ia juga merupakan seramik kalis peluru yang paling banyak digunakan di China.
Seramik boron karbida mempunyai ketumpatan terendah dan kekerasan tertinggi di antara jenis seramik ini, tetapi pada masa yang sama, mereka juga mempunyai keperluan yang tinggi untuk teknologi pemprosesan, memerlukan pensinteran suhu tinggi dan tekanan tinggi, jadi kosnya juga paling tinggi di kalangan tiga jenis seramik.
Berbanding dengan tiga bahan seramik kalis peluru biasa ini, kos seramik kalis peluru alumina adalah yang paling rendah, tetapi prestasi kalis pelurunya jauh lebih rendah daripada silikon karbida dan boron karbida.Oleh itu, pada masa ini, seramik kalis peluru silikon dan boron karbida kebanyakannya dihasilkan di pengeluar seramik kalis peluru domestik, manakala seramik alumina jarang berlaku.Walau bagaimanapun, alumina kristal tunggal boleh digunakan untuk menyediakan seramik telus, yang digunakan secara meluas sebagai bahan telus berfungsi optik, dan digunakan untuk peralatan ketenteraan seperti topeng kalis peluru individu, tingkap pengesanan peluru berpandu, tingkap pemerhatian kenderaan, periskop kapal selam, dll.
04Dua bahan seramik kalis peluru yang paling popular
Seramik kalis peluru silikon karbida
Ikatan kovalen silikon karbida sangat kuat, dan ia masih mempunyai ikatan kekuatan tinggi pada suhu tinggi.Ciri struktur ini memberikan seramik silikon karbida kekuatan yang sangat baik, kekerasan yang tinggi, rintangan haus, rintangan kakisan, kekonduksian haba yang tinggi, rintangan kejutan haba yang baik dan sifat-sifat lain;Pada masa yang sama, seramik silikon karbida adalah salah satu bahan perlindungan perisai berprestasi tinggi yang paling menjanjikan dengan harga yang sederhana dan prestasi kos yang tinggi.
Seramik silikon karbida mempunyai ruang pembangunan yang luas dalam bidang perlindungan perisai, dan aplikasinya dalam bidang peralatan individu dan kenderaan khas cenderung untuk dipelbagaikan.Sebagai bahan perisai pelindung, memandangkan kos, aplikasi khas dan faktor lain, panel seramik kecil dan plat belakang komposit biasanya diikat untuk membentuk sasaran komposit seramik untuk mengatasi kegagalan seramik akibat tekanan tegangan, dan memastikan bahawa hanya kepingan tunggal dihancurkan tanpa merosakkan keseluruhan perisai apabila peluru menembusi.
Seramik kalis peluru boron karbida
Pada masa ini, boron karbida ialah bahan super keras yang kekerasannya hanya lebih rendah daripada berlian dan boron nitrida padu, dan kekerasannya adalah sehingga 3000 kg/mm ²； Ketumpatan rendah, hanya 2.52g/cm ³， 1/3 keluli;Modulus anjal tinggi, 450GPa;Takat lebur tinggi, kira-kira 2447 ℃;Pekali pengembangan habanya rendah dan kekonduksian termanya tinggi.Selain itu, boron karbida mempunyai kestabilan kimia yang baik dan tahan terhadap kakisan asid dan alkali.Ia tidak bertindak balas dengan asid dan alkali dan kebanyakan cecair sebatian tak organik pada suhu bilik.Ia hanya mempunyai kakisan perlahan dalam asid hidrofluorik asid sulfurik dan asid hidrofluorik asid nitrik campuran;Ia tidak dibasahi dan berinteraksi dengan kebanyakan logam cair.Boron karbida juga mempunyai keupayaan yang baik untuk menyerap neutron, yang tidak dimiliki oleh bahan seramik lain.Ketumpatan B4C adalah yang paling rendah antara beberapa seramik perisai yang biasa digunakan, dan modulus keanjalannya yang tinggi menjadikannya pilihan yang baik untuk perisai tentera dan bahan angkasa.Masalah utama B4C ialah harganya yang tinggi (kira-kira 10 kali ganda daripada alumina) dan kerapuhan yang tinggi, yang mengehadkan penggunaannya yang luas sebagai perisai pelindung fasa tunggal.
05 Kaedah penyediaan seramik kalis peluru
Ia dapat dilihat daripada ciri-ciri proses penyediaan bahan seramik iaitu pensinteran tindak balas, pensinteran tanpa tekanan dan pensinteran fasa cecair agak matang dalam pembangunan proses semasa.Kos pengeluaran ketiga-tiga kaedah pensinteran ini adalah rendah, proses penyediaannya mudah, dan kemungkinan pengeluaran besar-besaran adalah tinggi.Pensinteran penekan panas dan pensinteran penekan isostatik panas agak terhad mengikut saiz produk, dengan kos pengeluaran yang tinggi dan kematangan yang rendah.Pensinteran tekanan ultratinggi, pensinteran gelombang mikro, pensinteran plasma percikan dan pencairan pancaran plasma adalah kaedah penyediaan yang agak baru dengan kematangan yang paling rendah.Walau bagaimanapun, mereka mempunyai keperluan yang tinggi untuk teknologi dan peralatan, kos pengeluaran yang tinggi, dan kemungkinan pengeluaran kelompok yang rendah.Mereka sering digunakan dalam peringkat penerokaan eksperimen, yang tidak begitu penting untuk aplikasi praktikal dan sukar untuk mencapai perindustrian.
06 Naik taraf seramik kalis peluru
Walaupun silikon karbida dan boron karbida mempunyai potensi kalis peluru yang hebat, masalah keliatan patah yang lemah dan kerapuhan seramik fasa tunggal tidak boleh diabaikan.Perkembangan sains dan teknologi moden memerlukan kefungsian dan ekonomi seramik kalis peluru: pelbagai fungsi, prestasi tinggi, ringan, kos rendah dan keselamatan.Oleh itu, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pakar dan sarjana berharap untuk mengukuhkan, menguatkan, meringankan dan menjimatkan seramik melalui pelarasan mikro, termasuk komposit pelbagai sistem seramik, seramik kecerunan berfungsi, reka bentuk struktur berlapis, dsb., dan perisai sedemikian lebih ringan daripada perisai hari ini, yang lebih baik meningkatkan mobiliti unit tempur.
Seramik kecerunan berfungsi dicirikan oleh perubahan tetap dalam sifat bahan komponen melalui reka bentuk mikro.Contohnya, titanium borida dan logam titanium serta aluminium oksida, silikon karbida, boron karbida, silikon nitrida dan logam aluminium dan sistem komposit logam/seramik lain mempunyai perubahan kecerunan dalam prestasi sepanjang ketebalan, iaitu, untuk menyediakan seramik kalis peluru yang peralihan daripada kekerasan tinggi kepada keliatan tinggi.
Seramik nanokomposit terdiri daripada zarah tersebar submikron atau nanometer yang ditambahkan pada seramik matriks.Contohnya, SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC, dsb. boleh meningkatkan kekerasan, keliatan dan kekuatan seramik.Dilaporkan bahawa negara-negara barat sedang mengkaji cara menyediakan seramik dengan saiz bijian berpuluh-puluh nanometer dengan mensinter serbuk skala nano, untuk menguatkan dan menguatkan bahan.Seramik balistik dijangka mencapai kejayaan besar dalam hal ini.
07 Ringkasan
Sama ada seramik fasa tunggal atau seramik berbilang fasa, bahan seramik kalis peluru terbaik masih tidak dapat dipisahkan daripada silikon karbida dan boron karbida.Terutamanya bahan boron karbida, dengan perkembangan teknologi pensinteran, kelebihan seramik boron karbida semakin cemerlang, dan aplikasinya dalam bidang kalis peluru akan dikembangkan lagi.