ỨNG DỤNG CỦA SILICON CARBIDE, BORON CARBIDE VÀ CÁC LOẠI GỐM CAO CẤP KHÁC TRONG LĨNH VỰC CHỐNG ĐẠN
Gốm thông thường rất dễ vỡ.Tuy nhiên, gốm tiên tiến được xử lý bằng khoa học và công nghệ hiện đại đã trở thành một vật liệu mới cứng và có độ bền cao, đặc biệt là trong lĩnh vực chống đạn với các yêu cầu đặc biệt về hiệu suất vật lý đối với vật liệu.Gốm sứ đã trở thành một vật liệu chống đạn rất phổ biến.
01 Nguyên lý chống đạn của vật liệu gốm
Nguyên lý cơ bản của giáp bảo vệ là tiêu hao năng lượng đạn, làm chậm đạn và khiến nó trở nên vô hại.Hầu hết các vật liệu kỹ thuật truyền thống, chẳng hạn như vật liệu kim loại, hấp thụ năng lượng thông qua biến dạng dẻo của cấu trúc, trong khi vật liệu gốm hấp thụ năng lượng thông qua quá trình nghiền vi mô.
Quá trình hấp thụ năng lượng của gốm chống đạn có thể được chia thành ba giai đoạn:
(1) Giai đoạn va chạm ban đầu: đạn đập vào bề mặt gốm, làm cho đầu đạn bị cùn, đồng thời hấp thụ năng lượng trong quá trình nghiền nát bề mặt gốm tạo thành một vùng mảnh nhỏ và cứng;
(2) Giai đoạn ăn mòn: viên đạn cùn tiếp tục ăn mòn khu vực mảnh vỡ, tạo thành lớp mảnh gốm liên tục;
(3) Các giai đoạn biến dạng, nứt và gãy: cuối cùng, lực kéo được tạo ra trong gốm để phá vỡ gốm, sau đó tấm mặt sau bị biến dạng.Năng lượng còn lại được hấp thụ bởi sự biến dạng của vật liệu tấm phía sau.Trong quá trình đạn tác động vào gốm, cả đạn và gốm đều bị hư hại.
02 Yêu cầu của gốm chống đạn về tính chất vật liệu
Do bản thân gốm có tính giòn nên nó sẽ bị gãy chứ không bị biến dạng dẻo khi bị đạn tác động.Dưới tác dụng của tải trọng kéo, đứt gãy đầu tiên xảy ra ở những nơi không đồng nhất như lỗ rỗng và ranh giới hạt.Do đó, để giảm thiểu nồng độ ứng suất vi mô, gốm bọc thép phải là gốm chất lượng cao có độ xốp thấp (lên tới 99% mật độ lý thuyết) và cấu trúc hạt mịn.
Hiệu suất vật liệu và ảnh hưởng của nó đối với hiệu suất chống đạn.
| Hiệu suất | Tác động đến hiệu suất chống đạn |
| Tỉ trọng | Khối lượng của hệ thống áo giáp |
| độ cứng | Mức độ phá hủy của đạn |
| Mô đun đàn hồi | Truyền sóng ứng suất |
| Sức lực | Hiệu suất chống đa tấn công |
| chế độ gãy xương | Hiệu suất chống đa tấn công |
| Độ bền đứt gãy (liên tinh thể hoặc xuyên hạt) | Khả năng hấp thụ năng lượng |
| cấu trúc vi mô | Kích thước hạt, pha thứ hai, chuyển pha hoặc vô định hình, độ xốp, v.v. ảnh hưởng đến tất cả các đặc tính. |
03Các vật liệu gốm chống đạn được sử dụng phổ biến nhất
Từ thế kỷ 21, gốm chống đạn đã phát triển nhanh chóng với nhiều chủng loại, bao gồm oxit nhôm, cacbua silic, cacbua bo, nitrua silic, borua titan, v.v. Trong số đó, gốm oxit nhôm (Al2O3), gốm cacbua silic (SiC) và gốm gốm boron cacbua (B4C) được sử dụng rộng rãi nhất.
Mật độ gốm alumina là cao nhất, nhưng độ cứng tương đối thấp, ngưỡng xử lý thấp và giá thấp.Theo độ tinh khiết, gốm alumina được chia thành 85/90/95/99, độ cứng và giá tương ứng cũng lần lượt tăng lên.
| Nguyên liệu | Tỷ trọng Kg/m3 | Mô đun đàn hồi GN/m2 | HV | Giá so với alumin |
| bo cacbua | 2500 | 400 | 30000 | x 10 |
| nhôm | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| titan diborua | 4500 | 570 | 33000 | x 10 |
| cacbua silic | 3200 | 370 | 27000 | x 5 |
| beri oxit | 2800 | 415 | 12000 | x 10 |
| B4C/SiC | 2600 | 340 | 27500 | x 7 |
| Đồ thủy tinh và gốm sứ | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| Silicon nitride | 3200 | 310 | 17000 | x 5 |
So sánh tính chất vật liệu
Gốm cacbua silic là gốm kết cấu có mật độ tương đối thấp và độ cứng cao, tiết kiệm chi phí.Do đó, chúng cũng là loại gốm chống đạn được sử dụng rộng rãi nhất ở Trung Quốc.
Gốm boron cacbua có mật độ thấp nhất và độ cứng cao nhất trong số các loại gốm này, nhưng đồng thời cũng có yêu cầu cao về công nghệ xử lý, đòi hỏi quá trình thiêu kết ở nhiệt độ cao và áp suất cao nên giá thành cũng cao nhất trong các loại gốm này. ba loại gốm sứ.
So với ba vật liệu gốm chống đạn phổ biến này, giá thành của gốm chống đạn alumina là thấp nhất, nhưng hiệu suất chống đạn của nó kém hơn nhiều so với cacbua silic và cacbua boron.Do đó, gốm chống đạn cacbua silic và cacbua boron hiện nay hầu hết được sản xuất tại các nhà sản xuất gốm chống đạn trong nước, trong khi gốm alumina rất hiếm.Tuy nhiên, alumina đơn tinh thể có thể được sử dụng để điều chế gốm sứ trong suốt, được sử dụng rộng rãi làm vật liệu trong suốt chức năng quang học và được áp dụng cho các thiết bị quân sự như mặt nạ chống đạn cá nhân, cửa sổ phát hiện tên lửa, cửa sổ quan sát phương tiện, kính tiềm vọng tàu ngầm, v.v.
04Hai chất liệu sứ chống đạn phổ biến nhất
Gốm sứ chống đạn silicon carbide
Liên kết cộng hóa trị của cacbua silic cực kỳ mạnh và nó vẫn có liên kết cường độ cao ở nhiệt độ cao.Đặc điểm cấu trúc này mang lại cho gốm silicon carbide độ bền tuyệt vời, độ cứng cao, chống mài mòn, chống ăn mòn, dẫn nhiệt cao, chống sốc nhiệt tốt và các đặc tính khác;Đồng thời, gốm cacbua silic là một trong những vật liệu bảo vệ áo giáp hiệu suất cao hứa hẹn nhất với giá vừa phải và hiệu suất chi phí cao.
Gốm cacbua silic có không gian phát triển rộng rãi trong lĩnh vực bảo vệ áo giáp, và các ứng dụng của chúng trong lĩnh vực thiết bị cá nhân và phương tiện đặc biệt có xu hướng đa dạng.Là một vật liệu áo giáp bảo vệ, xem xét chi phí, ứng dụng đặc biệt và các yếu tố khác, các tấm gốm nhỏ và tấm ốp composite thường được liên kết để tạo thành các mục tiêu gốm composite để khắc phục sự thất bại của gốm do ứng suất kéo và đảm bảo rằng chỉ các mảnh đơn lẻ bị nghiền nát mà không làm hỏng toàn bộ áo giáp khi đạn xuyên qua.
Boron cacbua gốm chống đạn
Hiện tại, cacbua bo là một vật liệu siêu cứng, độ cứng chỉ kém kim cương và nitrua boron khối, độ cứng lên tới 3000 kg/mm²； Tỷ trọng thấp, chỉ 2,52g/cm ³， 1/3 so với thép;Mô đun đàn hồi cao, 450GPa;Điểm nóng chảy cao, khoảng 2447 ℃;Hệ số giãn nở nhiệt của nó thấp và độ dẫn nhiệt cao.Ngoài ra, cacbua bo có tính ổn định hóa học tốt và có khả năng chống ăn mòn axit và kiềm.Nó không phản ứng với axit và kiềm và hầu hết các chất lỏng hợp chất vô cơ ở nhiệt độ phòng.Nó chỉ bị ăn mòn chậm trong hỗn hợp axit sulfuric axit hydrofluoric và axit nitric axit hydrofluoric;Nó không bị ướt và tương tác với hầu hết các kim loại nóng chảy.Boron cacbua cũng có khả năng hấp thụ neutron tốt, điều mà các vật liệu gốm khác không có.Mật độ của B4C là thấp nhất trong số một số loại gốm làm áo giáp thường được sử dụng và mô đun đàn hồi cao của nó làm cho nó trở thành một lựa chọn tốt cho áo giáp quân sự và vật liệu vũ trụ.Các vấn đề chính của B4C là giá cao (khoảng 10 lần so với alumina) và độ giòn cao, hạn chế ứng dụng rộng rãi của nó làm áo giáp bảo vệ một pha.
05 Phương pháp điều chế gốm chống đạn
Có thể thấy từ các đặc điểm của quy trình chuẩn bị vật liệu gốm rằng phản ứng thiêu kết, thiêu kết không áp suất và thiêu kết pha lỏng tương đối trưởng thành trong quá trình phát triển quy trình hiện tại.Chi phí sản xuất của ba phương pháp thiêu kết này thấp, quy trình chuẩn bị đơn giản và khả năng sản xuất hàng loạt cao.Thiêu kết ép nóng và thiêu kết ép đẳng tĩnh tương đối hạn chế bởi kích thước sản phẩm, với chi phí sản xuất cao và độ chín thấp.Thiêu kết áp suất cực cao, thiêu kết vi sóng, thiêu kết plasma tia lửa và nung chảy chùm tia plasma là những phương pháp chuẩn bị tương đối mới với độ chín thấp nhất.Tuy nhiên, chúng có yêu cầu cao về công nghệ và thiết bị, chi phí sản xuất cao, tính khả thi của sản xuất hàng loạt thấp.Chúng thường được sử dụng trong giai đoạn thăm dò thử nghiệm, ít có ý nghĩa ứng dụng thực tế và khó đạt được mục tiêu công nghiệp hóa.
06 Nâng cấp gốm chống đạn
Mặc dù cacbua silic và cacbua boron có tiềm năng chống đạn lớn, nhưng không thể bỏ qua các vấn đề về độ bền đứt gãy kém và độ giòn của gốm một pha.Sự phát triển của khoa học và công nghệ hiện đại đòi hỏi chức năng và tính kinh tế của gốm chống đạn: đa chức năng, hiệu suất cao, trọng lượng nhẹ, chi phí thấp và an toàn.Do đó, trong những năm gần đây, các chuyên gia và học giả hy vọng sẽ tăng cường, làm cứng, làm sáng và tiết kiệm gốm thông qua điều chỉnh vi mô, bao gồm hỗn hợp của nhiều hệ thống gốm, gốm gradient chức năng, thiết kế cấu trúc lớp, v.v., và áo giáp như vậy nhẹ hơn áo giáp ngày nay. giúp cải thiện tốt hơn khả năng cơ động của các đơn vị chiến đấu.
Gốm gradient chức năng được đặc trưng bởi những thay đổi thường xuyên về tính chất của vật liệu thành phần thông qua thiết kế vi mô.Ví dụ, titan borua và titan kim loại cũng như oxit nhôm, cacbua silic, cacbua bo, nitrua silic và nhôm kim loại và các hệ hỗn hợp kim loại/gốm khác có hiệu suất thay đổi độ dốc dọc theo độ dày, nghĩa là để chuẩn bị gốm chống đạn chuyển từ độ cứng cao sang độ dẻo dai cao.
Gốm nanocompozit bao gồm các hạt phân tán subicron hoặc nanomet được thêm vào gốm ma trận.Ví dụ, SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC, v.v. có thể cải thiện độ cứng, độ dẻo dai và độ bền của gốm sứ.Có thông tin cho rằng các nước phương Tây đang nghiên cứu cách chế tạo gốm sứ với kích thước hạt hàng chục nanomet bằng cách thiêu kết các loại bột có kích thước nano, để tăng cường và làm cứng vật liệu.Gốm đạn đạo dự kiến sẽ đạt được một bước đột phá lớn trong vấn đề này.
07 Tóm tắt
Cho dù đó là gốm một pha hay gốm nhiều pha, vật liệu gốm chống đạn tốt nhất vẫn không thể tách rời cacbua silic và cacbua boron.Đặc biệt là vật liệu boron cacbua, với sự phát triển của công nghệ thiêu kết, ưu điểm của gốm boron cacbua ngày càng nổi bật, và ứng dụng của chúng trong lĩnh vực chống đạn sẽ được phát triển hơn nữa.