SİLİKON KARBÜR, BOR KARBÜR VE DİĞER GELİŞMİŞ SERAMİKLERİN KURŞUN GEÇİRMEZ ALANLARDA UYGULANMASI
Sıradan seramikler kırılgandır.Bununla birlikte, modern bilim ve teknoloji tarafından işlenen gelişmiş seramikler, özellikle kurşun geçirmez alanda, malzemeler için özel fiziksel performans gereklilikleri ile sert ve yüksek mukavemetli yeni bir malzeme haline gelmiştir.Seramik çok popüler bir kurşun geçirmez malzeme haline geldi.
01 Seramik malzemelerin kurşun geçirmezlik prensibi
Zırh korumanın temel prensibi mermi enerjisini tüketerek mermiyi yavaşlatmak ve zararsız hale getirmektir.Metal malzemeler gibi geleneksel mühendislik malzemelerinin çoğu, yapının plastik deformasyonu yoluyla enerjiyi emerken, seramik malzemeler mikro ezme işlemiyle enerjiyi emer.
Kurşun geçirmez seramiklerin enerji emme süreci kabaca üç aşamaya ayrılabilir:
(1) İlk çarpma aşaması: Mermi seramik yüzeye çarpar, savaş başlığını köreltir ve küçük ve sert bir parça alanı oluşturmak için seramik yüzeyi ezme sürecinde enerjiyi emer;
(2) Aşınma aşaması: kör mermi, sürekli bir seramik parça tabakası oluşturarak, parça alanını aşındırmaya devam eder;
(3) Deformasyon, çatlak ve kırılma aşamaları: son olarak, seramiği kırmak için seramikte çekme gerilimi oluşturulur ve ardından arka plaka deforme olur.Kalan enerji, arka plaka malzemesinin deformasyonu tarafından emilir.Merminin seramiğe çarpma sürecinde hem mermi hem de seramik zarar görür.
02 Kurşun geçirmez seramiklerin malzeme özelliklerine ilişkin gereklilikleri
Seramiğin kendisinin kırılganlığı nedeniyle, mermi tarafından çarpıldığında plastik deformasyon yerine kırılacaktır.Çekme yükü altında, kırılma önce gözenekler ve tane sınırları gibi heterojen yerlerde meydana gelir.Bu nedenle, mikro gerilim konsantrasyonunu en aza indirmek için zırhlı seramikler, düşük gözenekliliğe (teorik yoğunluğun %99'una kadar) ve ince tane yapısına sahip yüksek kaliteli seramikler olmalıdır.
Malzeme Performansı ve Kurşun Geçirmezlik Performansına Etkisi.
| Verim | Kurşun geçirmez performans üzerindeki etki |
| Yoğunluk | Zırh sistemi kütlesi |
| Sertlik | Mermilerin imha kapsamı |
| Elastik modülü | Stres dalgası iletimi |
| Kuvvet | Anti çoklu vuruş performansı |
| kırık modu | Anti çoklu vuruş performansı |
| Kırılma tokluğu (kristaller arası veya taneler arası) | Enerjiyi emme yeteneği |
| mikro yapı | Tane boyutu, ikinci faz, faz dönüşümü veya amorfizasyon, gözeneklilik vb. tüm özellikleri etkiler. |
03En yaygın kullanılan kurşun geçirmez seramik malzemeler
21. yüzyıldan itibaren kurşun geçirmez seramikler, alüminyum oksit, silikon karbid, boron karbid, silisyum nitrür, titanyum borür gibi pek çok çeşitle hızla gelişmiştir. Bunların arasında, alüminyum oksit seramikler (Al2O3), silisyum karbür seramikler (SiC) ve bor karbür seramikler (B4C) en yaygın kullanılanlardır.
Alümina seramiklerin yoğunluğu en yüksektir, ancak sertlik nispeten düşüktür, işlem eşiği düşüktür ve fiyat düşüktür.Saflığa göre alümina seramikler 85/90/95/99 olarak ayrılır ve buna karşılık gelen sertlik ve fiyat da artar.
| Malzeme | Yoğunluk Kg/m3 | Elastik modül GN/m2 | HV | Alüminaya göre fiyat |
| bor karbür | 2500 | 400 | 30000 | x 10 |
| alümina | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| titanyum diborür | 4500 | 570 | 33000 | x 10 |
| silisyum karbür | 3200 | 370 | 27000 | x 5 |
| berilyum oksit | 2800 | 415 | 12000 | x 10 |
| B4C/SiC | 2600 | 340 | 27500 | x 7 |
| Züccaciye ve Seramik | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| silikon nitrür | 3200 | 310 | 17000 | x 5 |
Malzeme özelliklerinin karşılaştırılması
Silisyum karbür seramikler, nispeten düşük yoğunluklu ve yüksek sertliğe sahip, uygun maliyetli yapısal seramiklerdir.Bu nedenle, aynı zamanda Çin'de en yaygın kullanılan kurşun geçirmez seramiklerdir.
Bor karbür seramikler, bu tür seramikler arasında en düşük yoğunluğa ve en yüksek sertliğe sahiptir, ancak aynı zamanda, yüksek sıcaklık ve yüksek basınç sinterleme gerektiren işleme teknolojisi için yüksek gereksinimleri vardır, bu nedenle maliyet de en yüksektir. üç çeşit seramik.
Bu üç yaygın kurşun geçirmez seramik malzeme ile karşılaştırıldığında, alümina kurşun geçirmez seramiklerin maliyeti en düşüktür, ancak kurşun geçirmez performansı silisyum karbür ve boron karbürden çok daha düşüktür.Bu nedenle, şu anda, silisyum karbür ve bor karbür kurşun geçirmez seramikler çoğunlukla yerli kurşun geçirmez seramik üreticilerinde üretilirken, alümina seramikler nadirdir.Bununla birlikte, tek kristal alümina, optik fonksiyonel şeffaf malzemeler olarak yaygın olarak kullanılan ve bireysel kurşun geçirmez maskeler, füze algılama pencereleri, araç gözlem pencereleri, denizaltı periskopları vb. askeri teçhizata uygulanan şeffaf seramikleri hazırlamak için kullanılabilir.
04En popüler iki kurşun geçirmez seramik malzeme
Silisyum karbür kurşun geçirmez seramikler
Silisyum karbürün kovalent bağı son derece güçlüdür ve yüksek sıcaklıklarda hala yüksek mukavemete sahiptir.Bu yapısal özellik silisyum karbür seramiklere mükemmel güç, yüksek sertlik, aşınma direnci, korozyon direnci, yüksek termal iletkenlik, iyi termal şok direnci ve diğer özellikler verir;Aynı zamanda, silisyum karbür seramik, orta fiyat ve yüksek maliyet performansı ile en umut verici yüksek performanslı zırh koruma malzemelerinden biridir.
Silisyum karbür seramikler, zırh koruması alanında geniş bir geliştirme alanına sahiptir ve bireysel ekipman ve özel araçlar alanındaki uygulamaları çeşitlenme eğilimindedir.Koruyucu bir zırh malzemesi olarak, maliyet, özel uygulama ve diğer faktörler göz önünde bulundurularak, küçük seramik paneller ve kompozit arka plakalar genellikle seramik kompozit hedefler oluşturmak üzere bağlanır ve seramiğin çekme geriliminden kaynaklanan arızasının üstesinden gelir ve yalnızca tek parçaların kırılmadan ezilmesini sağlar. mermi nüfuz ettiğinde tüm zırha zarar verir.
Bor karbür kurşun geçirmez seramikler
Şu anda bor karbür, sertliği yalnızca elmas ve kübik bor nitrürden daha düşük olan ve sertliği 3000 kg/mm²'ye kadar olan süper sert bir malzemedir； Düşük yoğunluklu, yalnızca 2.52g/cm ³， 1/3 çelik;Yüksek elastik modül, 450GPa;Yüksek erime noktası, yaklaşık 2447 ℃;Isıl genleşme katsayısı düşüktür ve ısıl iletkenliği yüksektir.Ek olarak, bor karbür iyi bir kimyasal kararlılığa sahiptir ve asit ve alkali korozyona karşı dirençlidir.Oda sıcaklığında asit ve alkali ve inorganik bileşik sıvıların çoğu ile reaksiyona girmez.Sadece hidroflorik asit sülfürik asit ve hidroflorik asit nitrik asit karışımlarında yavaş korozyona sahiptir;Islanmaz ve erimiş metallerin çoğu ile etkileşime girer.Bor karbür ayrıca diğer seramik malzemelerin sahip olmadığı nötronları emme konusunda iyi bir yeteneğe sahiptir.B4C'nin yoğunluğu, yaygın olarak kullanılan birkaç zırh seramiği arasında en düşük olanıdır ve yüksek elastik modülü, askeri zırh ve uzay malzemeleri için iyi bir seçim olmasını sağlar.B4C'nin ana sorunları, yüksek fiyatı (alüminanın yaklaşık 10 katı) ve tek fazlı koruyucu zırh olarak geniş uygulamasını sınırlayan yüksek kırılganlığıdır.
05 Kurşun geçirmez seramik hazırlama yöntemi
Seramik malzemelerin hazırlanma sürecinin özelliklerinden, reaksiyon sinterleme, basınçsız sinterleme ve sıvı faz sinterlemenin mevcut süreç gelişiminde nispeten olgun olduğu görülebilir.Bu üç sinterleme yönteminin üretim maliyetleri düşük, hazırlama süreci basit ve seri üretim olasılığı yüksektir.Sıcak pres sinterleme ve sıcak izostatik pres sinterleme, ürün boyutu, yüksek üretim maliyeti ve düşük olgunluk ile nispeten sınırlıdır.Ultra yüksek basınçlı sinterleme, mikrodalga sinterleme, kıvılcım plazma sinterleme ve plazma ışını eritme, en düşük olgunluğa sahip nispeten yeni hazırlama yöntemleridir.Bununla birlikte, teknoloji ve ekipman için yüksek gereksinimlere, yüksek üretim maliyetlerine ve toplu üretimin düşük fizibilitesine sahiptirler.Genellikle pratik uygulamalar için çok az önemi olan ve sanayileşmeyi başarması zor olan deneysel keşif aşamasında kullanılırlar.
06 Kurşun geçirmez seramiklerin yükseltilmesi
Silisyum karbür ve bor karbür büyük kurşun geçirmezlik potansiyeline sahip olsa da, tek fazlı seramiklerin zayıf kırılma tokluğu ve kırılganlığı sorunları göz ardı edilemez.Modern bilim ve teknolojinin gelişimi, kurşun geçirmez seramiğin işlevselliğini ve ekonomisini gerektirir: çok işlevli, yüksek performans, hafiflik, düşük maliyet ve güvenlik.Bu nedenle, son yıllarda uzmanlar ve bilim adamları, çoklu seramik sistemlerin bileşimi, fonksiyonel gradyan seramikler, katmanlı yapı tasarımı vb. dahil olmak üzere mikro ayarlama yoluyla seramiği güçlendirmeyi, sağlamlaştırmayı, hafifletmeyi ve ekonomikleştirmeyi umuyorlar ve bu tür zırhlar günümüzün zırhlarından daha hafiftir. bu da savaş birimlerinin hareketliliğini daha iyi geliştirir.
Fonksiyonel gradyan seramikler, mikro tasarım yoluyla bileşen malzemelerinin özelliklerinde düzenli değişiklikler ile karakterize edilir.Örneğin, titanyum borür ve metal titanyumun yanı sıra alüminyum oksit, silisyum karbür, bor karbür, silikon nitrür ve metal alüminyum ve diğer metal/seramik kompozit sistemlerin, kalınlık boyunca performansta bir gradyan değişikliği vardır, yani kurşun geçirmez seramikler hazırlamak için. yüksek sertlikten yüksek tokluğa geçiş.
Nanokompozit seramikler, matris seramiklere eklenen mikron altı veya nanometre dağılmış parçacıklardan oluşur.Örneğin, SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC, vb. seramiklerin sertliğini, tokluğunu ve mukavemetini iyileştirebilir.Batılı ülkelerin, malzemeleri güçlendirmek ve sertleştirmek için nano ölçekli tozları sinterleyerek onlarca nanometre tane boyutuna sahip seramiklerin nasıl hazırlanacağını araştırdıkları bildiriliyor.Balistik seramiklerin bu konuda büyük bir atılım gerçekleştirmesi bekleniyor.
07 Özet
İster tek fazlı ister çok fazlı seramik olsun, en iyi kurşun geçirmez seramik malzemeler hala silisyum karbür ve boron karbürden ayrılamaz.Özellikle bor karbür malzemeler, sinterleme teknolojisinin gelişmesiyle birlikte bor karbür seramiklerin avantajları daha da öne çıkmakta ve kurşun geçirmezlik alanındaki uygulamaları daha da geliştirilecektir.