การประยุกต์ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์ โบรอนคาร์ไบด์ และเซรามิกขั้นสูงอื่นๆ ในสนามกันกระสุน

การประยุกต์ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ โบรอนคาร์ไบด์ และเซรามิกขั้นสูงอื่นๆ ในสนามกันกระสุน

เซรามิกธรรมดามีความเปราะบางอย่างไรก็ตาม เซรามิกส์ขั้นสูงที่ผ่านกระบวนการทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่ได้กลายเป็นวัสดุใหม่ที่แข็งและมีความแข็งแรงสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการป้องกันกระสุนที่มีข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพทางกายภาพเป็นพิเศษสำหรับวัสดุเซรามิกกลายเป็นวัสดุกันกระสุนที่ได้รับความนิยมอย่างมาก

01 หลักการกันกระสุนของวัสดุเซรามิก
หลักการพื้นฐานของเกราะป้องกันคือการใช้พลังงานของกระสุนปืน ทำให้กระสุนปืนช้าลงและทำให้ไม่เป็นอันตรายวัสดุทางวิศวกรรมแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ เช่น วัสดุโลหะ จะดูดซับพลังงานผ่านการเปลี่ยนรูปพลาสติกของโครงสร้าง ในขณะที่วัสดุเซรามิกจะดูดซับพลังงานผ่านกระบวนการบดย่อยขนาดเล็ก

1

กระบวนการดูดซับพลังงานของเซรามิกกันกระสุนสามารถแบ่งออกเป็นสามขั้นตอน:
(1) ขั้นเริ่มต้นของผลกระทบ: กระสุนปืนกระทบพื้นผิวเซรามิก ทำให้หัวรบทื่อ และดูดซับพลังงานในกระบวนการบดขยี้พื้นผิวเซรามิกเพื่อสร้างพื้นที่ชิ้นส่วนขนาดเล็กและแข็ง
(2) ขั้นตอนการกัดเซาะ: กระสุนปืนทื่อยังคงกัดเซาะพื้นที่ชิ้นส่วน ก่อตัวเป็นชั้นเศษเซรามิกอย่างต่อเนื่อง
(3) ขั้นตอนการเสียรูป แตกร้าว และแตกหัก: ในที่สุด ความเค้นดึงจะถูกสร้างขึ้นในเซรามิกเพื่อทำให้เซรามิกแตก จากนั้นแผ่นหลังจะผิดรูปพลังงานที่เหลือจะถูกดูดซับโดยการเสียรูปของวัสดุแผ่นหลังในกระบวนการของโพรเจกไทล์กระทบเซรามิก ทั้งโพรเจกไทล์และเซรามิกได้รับความเสียหาย

02 ข้อกำหนดของเซรามิกกันกระสุนเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุ
เนื่องจากความเปราะบางของตัวเซรามิกเอง เซรามิกจะแตกหักมากกว่าการเสียรูปแบบพลาสติกเมื่อกระทบกับโพรเจกไทล์ภายใต้แรงดึง การแตกหักเกิดขึ้นครั้งแรกในสถานที่ต่างกัน เช่น รูพรุนและขอบเกรนดังนั้น เพื่อลดความเข้มข้นของความเค้นระดับจุลภาค เซรามิกหุ้มเกราะควรเป็นเซรามิกคุณภาพสูงที่มีความพรุนต่ำ (สูงถึง 99% ของความหนาแน่นตามทฤษฎี) และโครงสร้างเกรนละเอียด

ประสิทธิภาพของวัสดุและอิทธิพลต่อประสิทธิภาพการกันกระสุน

ประสิทธิภาพ

ผลกระทบต่อประสิทธิภาพการกันกระสุน

ความหนาแน่น

ระบบเกราะจำนวนมาก

ความแข็ง

ขอบเขตการทำลายของขีปนาวุธ

โมดูลัสยืดหยุ่น

การส่งคลื่นความเค้น

ความแข็งแกร่ง

ป้องกันการตีหลายครั้ง

โหมดการแตกหัก

ป้องกันการตีหลายครั้ง

ความเหนียวแตกหัก (intercrystalline หรือ transgranular)

ความสามารถในการดูดซับพลังงาน

โครงสร้างจุลภาค

ขนาดเกรน, ระยะที่สอง, การเปลี่ยนเฟสหรือการเปลี่ยนรูป, ความพรุน ฯลฯ ส่งผลต่อคุณสมบัติทั้งหมด

 

03วัสดุเซรามิกกันกระสุนที่ใช้บ่อยที่สุด
ตั้งแต่ศตวรรษที่ 21 เซรามิกกันกระสุนได้พัฒนาอย่างรวดเร็วด้วยหลายชนิด รวมถึงอลูมิเนียมออกไซด์ ซิลิกอนคาร์ไบด์ โบรอนคาร์ไบด์ ซิลิกอนไนไตรด์ ไทเทเนียมบอไรด์ เป็นต้น ในหมู่พวกเขา เซรามิกอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และ โบรอนคาร์ไบด์เซรามิก (B4C) มีการใช้กันอย่างแพร่หลาย
ความหนาแน่นของอลูมินาเซรามิกนั้นสูงที่สุด แต่ความแข็งค่อนข้างต่ำ เกณฑ์การประมวลผลต่ำ และราคาต่ำตามความบริสุทธิ์ อะลูมินาเซรามิกแบ่งออกเป็น 85/90/95/99 และความแข็งและราคาที่สอดคล้องกันก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน

วัสดุ

ความหนาแน่น กก./ลบ.ม

โมดูลัสยืดหยุ่น GN/m2

HV

ราคาเมื่อเทียบกับอลูมินา

โบรอนคาร์ไบด์

2500

400

30000

x 10

อลูมินา

3800

340

15000

1

ไทเทเนียมไดโบไรด์

4500

570

33000

x 10

ซิลิกอนคาร์ไบด์

3200

370

27000

x 5

เบริลเลียมออกไซด์

2800

415

12000

x 10

B4C/ซิคซี

2600

340

27500

x 7

เครื่องแก้วและเซรามิกส์

2500

100

6000

1

ซิลิคอนไนไตรด์

3200

310

17000

x 5

การเปรียบเทียบคุณสมบัติของวัสดุ
เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นเซรามิกโครงสร้างที่มีความหนาแน่นค่อนข้างต่ำและมีความแข็งสูง ซึ่งประหยัดค่าใช้จ่ายดังนั้นจึงเป็นเซรามิกกันกระสุนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในประเทศจีน
เซรามิกโบรอนคาร์ไบด์มีความหนาแน่นต่ำที่สุดและมีความแข็งสูงสุดในบรรดาเซรามิกประเภทนี้ แต่ในขณะเดียวกัน เซรามิกเหล่านี้ยังมีข้อกำหนดสูงสำหรับเทคโนโลยีการประมวลผล ซึ่งต้องใช้การเผาผนึกที่อุณหภูมิสูงและความดันสูง ดังนั้นค่าใช้จ่ายจึงสูงที่สุดในบรรดาเซรามิก เซรามิกทั้งสามชนิด
เมื่อเทียบกับวัสดุเซรามิกกันกระสุนทั่วไปทั้งสามชนิดนี้ ต้นทุนของเซรามิกกันกระสุนอลูมินานั้นต่ำที่สุด แต่ประสิทธิภาพการกันกระสุนนั้นด้อยกว่าซิลิคอนคาร์ไบด์และโบรอนคาร์ไบด์มากดังนั้น ในปัจจุบัน เซรามิกกันกระสุนซิลิคอนคาร์ไบด์และโบรอนคาร์ไบด์จึงส่วนใหญ่ผลิตในผู้ผลิตเซรามิกกันกระสุนในประเทศ ในขณะที่เซรามิกอะลูมินาหายากอย่างไรก็ตาม สามารถใช้อะลูมินาผลึกเดี่ยวเพื่อเตรียมเซรามิกโปร่งใสได้ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะวัสดุโปร่งใสที่ทำหน้าที่เชิงแสง และนำไปใช้กับอุปกรณ์ทางทหาร เช่น หน้ากากกันกระสุน หน้าต่างตรวจจับขีปนาวุธ หน้าต่างสังเกตการณ์ยานพาหนะ กล้องปริทรรศน์ใต้น้ำ เป็นต้น

04วัสดุเซรามิกกันกระสุนยอดนิยมสองชนิด
เซรามิกกันกระสุนซิลิคอนคาร์ไบด์
พันธะโควาเลนต์ของซิลิกอนคาร์ไบด์มีความแข็งแรงมาก และยังคงมีพันธะที่มีความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูงคุณสมบัติทางโครงสร้างนี้ช่วยให้เซรามิกคาร์ไบด์มีความแข็งแรงเป็นเลิศ มีความแข็งสูง ทนทานต่อการสึกหรอ ต้านทานการกัดกร่อน การนำความร้อนสูง ทนต่อแรงกระแทกจากความร้อนได้ดี และคุณสมบัติอื่นๆในขณะเดียวกัน เซรามิกคาร์ไบด์ซิลิคอนเป็นหนึ่งในวัสดุป้องกันเกราะประสิทธิภาพสูงที่มีแนวโน้มมากที่สุดด้วยราคาปานกลางและประสิทธิภาพต้นทุนสูง
เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์มีพื้นที่การพัฒนาที่กว้างขวางในด้านการป้องกันเกราะ และการใช้งานในด้านอุปกรณ์ส่วนบุคคลและยานพาหนะพิเศษมีแนวโน้มที่จะมีความหลากหลายในฐานะที่เป็นวัสดุเกราะป้องกัน เมื่อพิจารณาถึงต้นทุน การใช้งานพิเศษ และปัจจัยอื่นๆ แผงเซรามิกขนาดเล็กและแผ่นรองหลังคอมโพสิตมักจะถูกยึดติดเพื่อสร้างเป้าหมายคอมโพสิตเซรามิกเพื่อเอาชนะความล้มเหลวของเซรามิกเนื่องจากความเค้นดึง และทำให้แน่ใจว่ามีเพียงชิ้นเดียวที่ถูกบดขยี้โดยไม่ สร้างความเสียหายให้กับเกราะทั้งหมดเมื่อกระสุนทะลุทะลวง

เซรามิกกันกระสุนโบรอนคาร์ไบด์
ในปัจจุบัน โบรอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุที่แข็งมากซึ่งมีความแข็งรองจากเพชรและคิวบิกโบรอนไนไตรด์เท่านั้น และมีความแข็งสูงถึง 3,000 กก./มม.²; ความหนาแน่นต่ำ เพียง 2.52 กรัม/ซม.³, 1/3 ของเหล็กโมดูลัสยืดหยุ่นสูง 450GPa;จุดหลอมเหลวสูง ประมาณ 2447 ℃;ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำและค่าการนำความร้อนสูงนอกจากนี้ โบรอนคาร์ไบด์ยังมีความเสถียรทางเคมีที่ดีและทนทานต่อการกัดกร่อนของกรดและด่างไม่ทำปฏิกิริยากับกรดและด่างและของเหลวที่เป็นสารประกอบอนินทรีย์ส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิห้องมีการกัดกร่อนอย่างช้าๆ ในส่วนผสมของกรดซัลฟิวริกของกรดไฮโดรฟลูออริกและกรดไนตริกของกรดไฮโดรฟลูออริกไม่เปียกน้ำและทำปฏิกิริยากับโลหะหลอมเหลวส่วนใหญ่โบรอนคาร์ไบด์ยังมีความสามารถในการดูดซับนิวตรอนได้ดี ซึ่งวัสดุเซรามิกชนิดอื่นไม่มีความหนาแน่นของ B4C นั้นต่ำที่สุดในบรรดาเกราะเซรามิกที่ใช้กันทั่วไป และโมดูลัสที่ยืดหยุ่นสูงทำให้มันเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับเกราะทางทหารและวัสดุอวกาศปัญหาหลักของ B4C คือราคาที่สูง (ประมาณ 10 เท่าของอลูมินา) และความเปราะสูง ซึ่งจำกัดการใช้งานในวงกว้างในฐานะเกราะป้องกันแบบเฟสเดียว

2

05 วิธีการเตรียมเซรามิกกันกระสุน
จะเห็นได้จากลักษณะของกระบวนการเตรียมวัสดุเซรามิกว่าการเผาผนึกด้วยปฏิกิริยา การเผาผนึกแบบไร้ความดัน และการเผาผนึกในเฟสของเหลวค่อนข้างสมบูรณ์ในการพัฒนากระบวนการในปัจจุบันต้นทุนการผลิตของวิธีการซินเทอร์ทั้งสามนี้ต่ำ กระบวนการเตรียมก็ง่าย และมีความเป็นไปได้ในการผลิตจำนวนมากการเผาผนึกแบบกดร้อนและการเผาผนึกแบบไอโซสแตติกแบบร้อนนั้นค่อนข้างถูกจำกัดด้วยขนาดผลิตภัณฑ์ โดยมีต้นทุนการผลิตสูงและระยะเวลาครบกำหนดต่ำการเผาผนึกด้วยความดันสูงพิเศษ การเผาผนึกด้วยคลื่นไมโครเวฟ การเผาผนึกด้วยพลาสมาแบบจุดประกาย และการหลอมด้วยลำแสงพลาสม่าเป็นวิธีการเตรียมที่ค่อนข้างใหม่และมีวุฒิภาวะต่ำที่สุดอย่างไรก็ตาม มีความต้องการเทคโนโลยีและอุปกรณ์สูง ต้นทุนการผลิตสูง และความเป็นไปได้ในการผลิตเป็นชุดต่ำมักใช้ในขั้นตอนการสำรวจเชิงทดลอง ซึ่งมีความสำคัญเพียงเล็กน้อยสำหรับการใช้งานจริงและยากต่อการทำให้เป็นอุตสาหกรรม

06 การอัพเกรดเซรามิกกันกระสุน
แม้ว่าซิลิกอนคาร์ไบด์และโบรอนคาร์ไบด์จะมีศักยภาพในการกันกระสุนได้ดี แต่ปัญหาของความเหนียวแตกหักต่ำและความเปราะบางของเซรามิกเฟสเดียวนั้นเป็นสิ่งที่มองข้ามไม่ได้การพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่ต้องการฟังก์ชันการทำงานและความประหยัดของเซรามิกกันกระสุน: มัลติฟังก์ชั่น ประสิทธิภาพสูง น้ำหนักเบา ต้นทุนต่ำ และความปลอดภัยดังนั้น ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ ผู้เชี่ยวชาญและนักวิชาการต่างหวังที่จะเสริมความแข็งแกร่ง แกร่งขึ้น ลดน้ำหนัก และประหยัดเซรามิกผ่านการปรับระดับจุลภาค ซึ่งรวมถึงส่วนประกอบของระบบเซรามิกหลายตัว เซรามิกเกรเดียนท์ที่ใช้งานได้ การออกแบบโครงสร้างเป็นชั้น ฯลฯ และเกราะดังกล่าวก็เบากว่าเกราะในปัจจุบัน ซึ่งปรับปรุงความคล่องตัวของหน่วยรบให้ดีขึ้น
เซรามิกไล่ระดับตามหน้าที่มีลักษณะพิเศษคือการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุส่วนประกอบอย่างสม่ำเสมอผ่านการออกแบบระดับไมโครตัวอย่างเช่น ไททาเนียมบอไรด์และโลหะไททาเนียม รวมทั้งอลูมิเนียมออกไซด์ ซิลิกอนคาร์ไบด์ โบรอนคาร์ไบด์ ซิลิกอนไนไตรด์ และโลหะอะลูมิเนียม และระบบคอมโพสิตโลหะ/เซรามิกอื่นๆ มีการเปลี่ยนแปลงการไล่ระดับสีในประสิทธิภาพตามความหนา นั่นคือ เพื่อเตรียมเซรามิกกันกระสุนที่ เปลี่ยนจากความแข็งสูงเป็นความเหนียวสูง
เซรามิกนาโนคอมโพสิทประกอบด้วยอนุภาคที่กระจายตัวในระดับซับไมครอนหรือนาโนเมตรที่เพิ่มเข้าไปในเมทริกซ์เซรามิกตัวอย่างเช่น SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC เป็นต้น สามารถปรับปรุงความแข็ง ความเหนียว และความแข็งแรงของเซรามิกได้มีรายงานว่าประเทศทางตะวันตกกำลังศึกษาวิธีการเตรียมเซรามิกที่มีขนาดเกรนหลายสิบนาโนเมตรโดยการเผาผงระดับนาโนเพื่อให้วัสดุมีความแข็งแรงและแกร่งขึ้นBallistic ceramics คาดว่าจะบรรลุความก้าวหน้าครั้งสำคัญในเรื่องนี้

07 สรุป
ไม่ว่าจะเป็นเซรามิกเฟสเดียวหรือเซรามิกหลายเฟส วัสดุเซรามิกกันกระสุนที่ดีที่สุดยังคงแยกออกจากซิลิคอนคาร์ไบด์และโบรอนคาร์ไบด์ไม่ได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งวัสดุโบรอนคาร์ไบด์ ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเผาผนึก ข้อดีของเซรามิกโบรอนคาร์ไบด์มีความโดดเด่นมากขึ้น และการใช้งานในสนามกันกระสุนจะได้รับการพัฒนาต่อไป