APLICAÇÃO DE CARBONETO DE SILÍCIO, CARBONETO DE BORO E OUTRAS CERÂMICAS AVANÇADAS EM CAMPO À PROVA DE BALAS
Cerâmicas comuns são frágeis.No entanto, a cerâmica avançada processada pela ciência e tecnologia modernas tornou-se um novo material duro e de alta resistência, especialmente no campo à prova de balas com requisitos especiais de desempenho físico para materiais.A cerâmica tornou-se um material à prova de balas muito popular.
01 Princípio à prova de bala de materiais cerâmicos
O princípio básico da proteção da armadura é consumir energia do projétil, desacelerar o projétil e torná-lo inofensivo.A maioria dos materiais de engenharia tradicionais, como os materiais metálicos, absorvem energia através da deformação plástica da estrutura, enquanto os materiais cerâmicos absorvem energia através do processo de microtrituração.
O processo de absorção de energia da cerâmica à prova de balas pode ser dividido em três etapas:
(1) Fase inicial de impacto: o projétil atinge a superfície cerâmica, tornando a ogiva romba, e absorvendo energia no processo de esmagamento da superfície cerâmica para formar uma pequena área de fragmento duro;
(2) Estágio de erosão: o projétil rombudo continua erodindo a área do fragmento, formando uma camada contínua de fragmentos cerâmicos;
(3) Etapas de deformação, trinca e fratura: finalmente, é gerada tensão de tração na cerâmica para quebrar a cerâmica e, em seguida, a placa traseira é deformada.A energia restante é absorvida pela deformação do material da placa traseira.No processo de impacto do projétil na cerâmica, tanto o projétil quanto a cerâmica são danificados.
02 Requisitos de cerâmica à prova de balas nas propriedades do material
Devido à fragilidade da própria cerâmica, ela irá fraturar ao invés de deformação plástica quando impactada pelo projétil.Sob carga de tração, a fratura ocorre primeiro em locais heterogêneos, como poros e limites de grão.Portanto, para minimizar a concentração de micro tensões, as cerâmicas blindadas devem ser cerâmicas de alta qualidade, com baixa porosidade (até 99% da densidade teórica) e estrutura de grão fino.
Desempenho do material e sua influência no desempenho à prova de balas.
| atuação | Impacto no desempenho à prova de balas |
| Densidade | Sistema de massa de armadura |
| Dureza | Extensão da destruição de projéteis |
| módulo de elasticidade | Transmissão de ondas de estresse |
| Força | Desempenho anti-ataque múltiplo |
| modo de fratura | Desempenho anti-ataque múltiplo |
| Resistência à fratura (intercristalina ou transgranular) | Capacidade de absorção de energia |
| Microestrutura | Tamanho do grão, segunda fase, transformação de fase ou amorfização, porosidade, etc. afetam todas as propriedades. |
03Os materiais cerâmicos à prova de balas mais usados
Desde o século 21, a cerâmica à prova de balas desenvolveu-se rapidamente com muitos tipos, incluindo óxido de alumínio, carboneto de silício, carboneto de boro, nitreto de silício, boreto de titânio, etc. Entre eles, cerâmica de óxido de alumínio (Al2O3), cerâmica de carboneto de silício (SiC) e Cerâmicas de carboneto de boro (B4C) são as mais utilizadas.
A densidade da cerâmica de alumina é a mais alta, mas a dureza é relativamente baixa, o limite de processamento é baixo e o preço é baixo.De acordo com a pureza, as cerâmicas de alumina são divididas em 85/90/95/99, e a dureza e o preço correspondentes também são aumentados.
| Material | Densidade Kg/m3 | Módulo elástico GN/m2 | HV | Preço relativo à alumina |
| carboneto de boro | 2500 | 400 | 30000 | x 10 |
| Alumina | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| Diboreto de titânio | 4500 | 570 | 33000 | x 10 |
| carboneto de silício | 3200 | 370 | 27000 | x 5 |
| óxido de berílio | 2800 | 415 | 12000 | x 10 |
| B4C/SiC | 2600 | 340 | 27500 | x 7 |
| Vidraria e Cerâmica | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| nitreto de silício | 3200 | 310 | 17000 | x 5 |
Comparação das propriedades do material
As cerâmicas de carboneto de silício são cerâmicas estruturais com densidade relativamente baixa e alta dureza, que são econômicas.Portanto, eles também são a cerâmica à prova de balas mais amplamente utilizada na China.
As cerâmicas de carboneto de boro têm a menor densidade e a maior dureza entre esses tipos de cerâmica, mas, ao mesmo tempo, também apresentam altos requisitos de tecnologia de processamento, exigindo sinterização em alta temperatura e alta pressão, portanto, o custo também é o mais alto entre os três tipos de cerâmica.
Comparado com esses três materiais cerâmicos comuns à prova de balas, o custo da cerâmica à prova de balas de alumina é o mais baixo, mas seu desempenho à prova de balas é muito inferior ao do carboneto de silício e carboneto de boro.Portanto, atualmente, as cerâmicas à prova de balas de carboneto de silício e de carboneto de boro são produzidas principalmente em fabricantes domésticos de cerâmica à prova de balas, enquanto as cerâmicas de alumina são raras.No entanto, a alumina monocristalina pode ser usada para preparar cerâmica transparente, que é amplamente utilizada como materiais ópticos funcionais transparentes e é aplicada a equipamentos militares, como máscaras individuais à prova de balas, janelas de detecção de mísseis, janelas de observação de veículos, periscópios submarinos, etc.
04Os dois materiais cerâmicos à prova de balas mais populares
Cerâmica à prova de balas de carboneto de silício
A ligação covalente do carboneto de silício é extremamente forte e ainda possui alta resistência de ligação em altas temperaturas.Esta característica estrutural confere à cerâmica de carboneto de silício excelente resistência, alta dureza, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, alta condutividade térmica, boa resistência ao choque térmico e outras propriedades;Ao mesmo tempo, a cerâmica de carboneto de silício é um dos materiais de proteção de blindagem de alto desempenho mais promissores, com preço moderado e desempenho de alto custo.
As cerâmicas de carboneto de silício têm amplo espaço de desenvolvimento na área de proteção de blindagens, e suas aplicações nas áreas de equipamentos individuais e veículos especiais tendem a ser diversificadas.Como um material de armadura de proteção, considerando o custo, aplicação especial e outros fatores, pequenos painéis de cerâmica e placas traseiras compostas são geralmente colados para formar alvos compostos de cerâmica para superar a falha da cerâmica devido ao estresse de tração e garantir que apenas peças únicas sejam esmagadas sem danificando toda a armadura quando o projétil penetra.
Cerâmica à prova de balas de carboneto de boro
Atualmente, o carboneto de boro é um material superduro cuja dureza é inferior apenas ao diamante e ao nitreto de boro cúbico, e a dureza é de até 3000 kg/mm²; Baixa densidade, apenas 2,52 g/cm³, 1/3 do aço;Módulo elástico alto, 450GPa;Alto ponto de fusão, cerca de 2447 ℃;Seu coeficiente de expansão térmica é baixo e sua condutividade térmica é alta.Além disso, o carboneto de boro tem boa estabilidade química e é resistente à corrosão ácida e alcalina.Não reage com ácidos e álcalis e com a maioria dos líquidos compostos inorgânicos à temperatura ambiente.Só tem corrosão lenta em misturas de ácido fluorídrico ácido sulfúrico e ácido nítrico fluorídrico;Não é molhado e interage com a maioria dos metais fundidos.O carboneto de boro também tem uma boa capacidade de absorver nêutrons, que outros materiais cerâmicos não possuem.A densidade do B4C é a mais baixa entre várias cerâmicas de blindagem comumente usadas, e seu alto módulo de elasticidade o torna uma boa escolha para blindagem militar e materiais espaciais.Os principais problemas do B4C são seu alto preço (cerca de 10 vezes o da alumina) e alta fragilidade, que limitam sua ampla aplicação como armadura protetora monofásica.
05 Método de preparação de cerâmica à prova de balas
Pode-se ver pelas características do processo de preparação de materiais cerâmicos que a sinterização por reação, a sinterização sem pressão e a sinterização em fase líquida estão relativamente maduras no atual desenvolvimento do processo.Os custos de produção desses três métodos de sinterização são baixos, o processo de preparação é simples e a possibilidade de produção em massa é alta.A sinterização por prensagem a quente e a sinterização por prensagem isostática a quente são relativamente limitadas pelo tamanho do produto, com alto custo de produção e baixa maturidade.A sinterização por ultra-alta pressão, a sinterização por micro-ondas, a sinterização por faísca de plasma e a fusão por feixe de plasma são métodos de preparação relativamente novos com a maturidade mais baixa.No entanto, eles têm altos requisitos de tecnologia e equipamentos, altos custos de produção e baixa viabilidade de produção em lote.São frequentemente utilizados na fase de exploração experimental, pouco significativa para aplicações práticas e de difícil industrialização.
06 Atualização de cerâmica à prova de balas
Embora o carboneto de silício e o carboneto de boro tenham grande potencial à prova de balas, os problemas de baixa tenacidade à fratura e fragilidade da cerâmica monofásica não podem ser ignorados.O desenvolvimento da ciência e da tecnologia modernas exige a funcionalidade e a economia da cerâmica à prova de balas: multifuncional, de alto desempenho, leve, de baixo custo e segura.Portanto, nos últimos anos, especialistas e estudiosos esperam fortalecer, endurecer, iluminar e economizar cerâmica por meio de microajuste, incluindo compósito de múltiplos sistemas cerâmicos, cerâmica de gradiente funcional, design de estrutura em camadas, etc., e essa armadura é mais leve que a armadura de hoje, que melhor melhora a mobilidade das unidades de combate.
Cerâmicas de gradiente funcional são caracterizadas por mudanças regulares nas propriedades dos materiais componentes por meio de microdesign.Por exemplo, boreto de titânio e titânio metálico, bem como óxido de alumínio, carboneto de silício, carboneto de boro, nitreto de silício e alumínio metálico e outros sistemas compostos de metal/cerâmica têm uma mudança de gradiente no desempenho ao longo da espessura, ou seja, para preparar cerâmica à prova de balas que transição de alta dureza para alta tenacidade.
As cerâmicas nanocompostas são compostas por partículas dispersas submicrométricas ou nanométricas adicionadas à matriz cerâmica.Por exemplo, SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC, etc. podem melhorar a dureza, tenacidade e resistência da cerâmica.É relatado que os países ocidentais estão estudando como preparar cerâmica com tamanho de grão de dezenas de nanômetros por sinterização de pós em nanoescala, de modo a fortalecer e endurecer os materiais.Espera-se que a cerâmica balística alcance um grande avanço nesse sentido.
07 Resumo
Quer se trate de cerâmica monofásica ou multifásica, os melhores materiais cerâmicos à prova de balas ainda são inseparáveis do carboneto de silício e carboneto de boro.Especialmente materiais de carboneto de boro, com o desenvolvimento da tecnologia de sinterização, as vantagens da cerâmica de carboneto de boro são cada vez mais notáveis, e suas aplicações no campo à prova de balas serão desenvolvidas.