ПРИМЕНЕНИЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ, КАРБИДА БОРА И ДРУГОЙ СОВРЕМЕННОЙ КЕРАМИКИ В ПУЛЕСТОЙКОЙ ОБЛАСТИ
Обычная керамика хрупкая.Однако передовая керамика, обработанная современной наукой и техникой, стала новым твердым и высокопрочным материалом, особенно в области пуленепробиваемости с особыми требованиями к физическим характеристикам материалов.Керамика стала очень популярным пуленепробиваемым материалом.
01 Принцип пуленепробиваемости керамических материалов
Основной принцип бронезащиты состоит в том, чтобы потреблять энергию снаряда, замедлять снаряд и делать его безвредным.Большинство традиционных инженерных материалов, таких как металлические материалы, поглощают энергию за счет пластической деформации конструкции, в то время как керамические материалы поглощают энергию за счет процесса микродробления.
Процесс поглощения энергии пуленепробиваемой керамикой можно условно разделить на три этапа:
(1) Начальная стадия удара: снаряд ударяется о керамическую поверхность, затупляя боеголовку и поглощая энергию в процессе дробления керамической поверхности с образованием небольшой и твердой области фрагмента;
(2) Стадия эрозии: тупой снаряд продолжает разрушать область осколка, образуя сплошной слой керамического осколка;
(3) Стадии деформации, трещины и разрушения: наконец, в керамике создается растягивающее напряжение, разрушающее керамику, а затем деформируется задняя пластина.Оставшаяся энергия поглощается деформацией материала задней пластины.В процессе удара снаряда о керамику повреждаются и снаряд, и керамика.
02 Требования пуленепробиваемой керамики к свойствам материала
Из-за хрупкости самой керамики при ударе снаряда она будет разрушаться, а не пластически деформироваться.При растягивающей нагрузке разрушение сначала происходит в неоднородных местах, таких как поры и границы зерен.Поэтому для минимизации концентрации микронапряжений бронекерамика должна быть качественной керамикой с низкой пористостью (до 99 % от теоретической плотности) и мелкозернистой структурой.
Характеристики материалов и их влияние на характеристики пуленепробиваемости.
| Спектакль | Влияние на пуленепробиваемые характеристики |
| Плотность | Масса системы брони |
| твердость | Степень поражения снарядов |
| Модуль упругости | Передача волны напряжения |
| Сила | Защита от множественных ударов |
| Режим перелома | Защита от множественных ударов |
| Вязкость разрушения (межкристаллитная или транскристаллитная) | Способность поглощать энергию |
| Микроструктура | Размер зерна, вторая фаза, фазовое превращение или аморфизация, пористость и т. д. влияют на все свойства. |
03Наиболее часто используемые пуленепробиваемые керамические материалы
С 21 века пуленепробиваемая керамика быстро развивалась со многими видами, включая оксид алюминия, карбид кремния, карбид бора, нитрид кремния, борид титана и т. д. Среди них керамика из оксида алюминия (Al2O3), керамика из карбида кремния (SiC) и керамика из карбида бора (B4C) является наиболее широко используемой.
Плотность глиноземной керамики самая высокая, но твердость относительно низкая, порог обработки низкий, а цена низкая.По чистоте глиноземная керамика делится на 85/90/95/99, а также соответственно увеличивается твердость и цена.
| Материал | Плотность кг/м3 | Модуль упругости Гн/м2 | HV | Цена относительно глинозема |
| карбид бора | 2500 | 400 | 30000 | х 10 |
| Глинозем | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| диборид титана | 4500 | 570 | 33000 | х 10 |
| Карбид кремния | 3200 | 370 | 27000 | х 5 |
| Оксид бериллия | 2800 | 415 | 12000 | х 10 |
| B4C/SiC | 2600 | 340 | 27500 | х 7 |
| Изделия из стекла и керамики | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| нитрид кремния | 3200 | 310 | 17000 | х 5 |
Сравнение свойств материалов
Керамика из карбида кремния представляет собой конструкционную керамику с относительно низкой плотностью и высокой твердостью, которая является экономически эффективной.Поэтому они также являются наиболее широко используемой пуленепробиваемой керамикой в Китае.
Керамика из карбида бора имеет наименьшую плотность и наибольшую твердость среди этих видов керамики, но в то же время к ней также предъявляются высокие требования по технологии обработки, требующие спекания при высокой температуре и высоком давлении, поэтому стоимость также самая высокая среди три вида керамики.
По сравнению с этими тремя распространенными пуленепробиваемыми керамическими материалами стоимость пуленепробиваемой керамики из оксида алюминия является самой низкой, но ее пуленепробиваемые характеристики намного уступают характеристикам карбида кремния и карбида бора.Поэтому в настоящее время пуленепробиваемая керамика из карбида кремния и карбида бора в основном выпускается отечественными производителями пуленепробиваемой керамики, а глиноземная керамика встречается редко.Однако монокристаллический оксид алюминия можно использовать для изготовления прозрачной керамики, которая широко используется в качестве оптических функциональных прозрачных материалов и применяется в военном снаряжении, таком как индивидуальные пуленепробиваемые маски, окна обнаружения ракет, окна наблюдения транспортных средств, перископы подводных лодок и т. д.
04Два самых популярных пуленепробиваемых керамических материала
Пуленепробиваемая керамика из карбида кремния
Ковалентная связь карбида кремния чрезвычайно прочна, и он по-прежнему имеет высокую прочность при высоких температурах.Эта структурная особенность придает керамике из карбида кремния превосходную прочность, высокую твердость, износостойкость, коррозионную стойкость, высокую теплопроводность, хорошую термостойкость и другие свойства;В то же время карбидокремниевая керамика является одним из наиболее перспективных высокоэффективных бронезащитных материалов с умеренной ценой и высокими стоимостными показателями.
Керамика карбида кремния имеет широкое поле для развития в области бронезащиты, и ее применение в области индивидуальной техники и специальных транспортных средств имеет тенденцию к диверсификации.В качестве материала для защитной брони, учитывая стоимость, специальное применение и другие факторы, небольшие керамические панели и композитные задние пластины обычно соединяются для формирования керамических композитных мишеней, чтобы преодолеть разрушение керамики из-за напряжения растяжения и гарантировать, что только отдельные части будут раздавлены без повреждений. повреждение всей брони при пробитии снаряда.
Пуленепробиваемая керамика из карбида бора
В настоящее время карбид бора представляет собой сверхтвердый материал, твердость которого уступает только алмазу и кубическому нитриду бора, а твердость составляет до 3000 кг/мм²； Низкая плотность, всего 2,52 г/см³，1/3 стали;Высокий модуль упругости, 450 ГПа;Высокая температура плавления, около 2447 ℃;Его коэффициент теплового расширения низкий, а теплопроводность высокая.Кроме того, карбид бора обладает хорошей химической стабильностью и устойчив к кислотной и щелочной коррозии.Не вступает в реакцию с кислотой, щелочью и большинством жидкостей неорганических соединений при комнатной температуре.Он имеет медленную коррозию только в смесях плавиковой кислоты, серной кислоты и азотной кислоты;Он не смачивается и взаимодействует с большинством расплавленных металлов.Карбид бора также обладает хорошей способностью поглощать нейтроны, чего нет у других керамических материалов.Плотность B4C является самой низкой среди нескольких широко используемых керамических материалов для брони, а его высокий модуль упругости делает его хорошим выбором для военной брони и космических материалов.Основными проблемами B4C являются его высокая цена (примерно в 10 раз выше, чем у глинозема) и высокая хрупкость, ограничивающие его широкое применение в качестве однофазной защитной брони.
05 Способ приготовления пуленепробиваемой керамики
Из характеристик процесса приготовления керамических материалов видно, что реакционное спекание, спекание без давления и спекание в жидкой фазе являются относительно зрелыми в текущем развитии процесса.Затраты на производство этих трех методов спекания низкие, процесс подготовки прост, а возможность массового производства высока.Спекание при горячем прессовании и спекание при горячем изостатическом прессовании относительно ограничены размером продукта, высокой себестоимостью и низким сроком созревания.Спекание под сверхвысоким давлением, микроволновое спекание, искровое плазменное спекание и плазменно-лучевое плавление являются относительно новыми методами подготовки с самой низкой зрелостью.Однако они имеют высокие требования к технологии и оборудованию, высокую себестоимость производства и низкую целесообразность серийного производства.Они часто используются на стадии опытно-разведочных работ, что не имеет большого значения для практических приложений и труднодостижимой индустриализации.
06 Модернизация пуленепробиваемой керамики
Хотя карбид кремния и карбид бора обладают большим пуленепробиваемым потенциалом, нельзя игнорировать проблемы плохой трещиностойкости и хрупкости однофазной керамики.Развитие современной науки и техники требует от пуленепробиваемой керамики функциональности и экономичности: многофункциональности, высоких характеристик, малого веса, низкой стоимости и безопасности.Поэтому в последние годы эксперты и ученые надеются усилить, упрочнить, облегчить и сэкономить керамику за счет микрорегулировки, включая композит из нескольких керамических систем, функциональную градиентную керамику, дизайн слоистой структуры и т. д., и такая броня легче, чем сегодняшняя броня, что лучше повышает подвижность боевых частей.
Функциональная градиентная керамика характеризуется закономерным изменением свойств материалов компонентов за счет микродизайна.Например, борид титана и металлический титан, а также оксид алюминия, карбид кремния, карбид бора, нитрид кремния и металлический алюминий и другие металлокерамические композиционные системы имеют градиентное изменение характеристик по толщине, то есть для получения пуленепробиваемой керамики, которая переход от высокой твердости к высокой вязкости.
Нанокомпозитная керамика состоит из субмикронных или нанометровых дисперсных частиц, добавленных в матричную керамику.Например, SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC и т. д. могут улучшить твердость, ударную вязкость и прочность керамики.Сообщается, что западные страны изучают, как изготавливать керамику с размером зерна в десятки нанометров путем спекания наноразмерных порошков, чтобы укрепить и сделать материалы более жесткими.Ожидается, что баллистическая керамика совершит крупный прорыв в этом отношении.
07 Резюме
Будь то однофазная или многофазная керамика, лучшие пуленепробиваемые керамические материалы по-прежнему неотделимы от карбида кремния и карбида бора.Особенно материалы из карбида бора, с развитием технологии спекания, преимущества керамики из карбида бора становятся все более и более выдающимися, и их применение в пуленепробиваемой области будет развиваться дальше.