Materiais cerámicos: as luces líderes en defensa balística

Na percepción colectiva, A cerámica é considerados artigos fráxiles. Non obstante, despois do procesamento con tecnoloxía moderna, a cerámica experimentou unha notable transformación nun novo material duro e de alta resistencia. Isto é particularmente evidente no campo da protección balística, onde a cerámica brillou con forza, converténdose nun material moi solicitado para aplicacións a proba de balas.

Parte Ⅰ:O principio a proba de balas dos materiais cerámicos

O principio fundamental da protección blindada é disipar a enerxía dos proxectís, reducir aO proceso de absorción de enerxía das cerámicas balísticas pódese dividir aproximadamente en tres etapas: (1) Etapa de impacto inicial: o proxectil golpea a superficie da cerámica, deformándoa de forma contundente e absorbendo enerxía mentres crea unha área de fragmentos finos e duros a través da fractura da superficie cerámica; (2) Etapa de erosión: o proxectil contundente continúa erosionando a área do fragmento, formando unha capa continua de fragmentos cerámicos; (3) Etapa de deformación, rachadura e fractura: finalmente, xérase unha tensión de tracción dentro da cerámica, o que fai que se rompa e, posteriormente, o material de soporte defórmase, absorbendo toda a enerxía restante a través da súa deformación. Durante o impacto do proxectil contra a cerámica, tanto o proxectil como a cerámica sofren danos.ación, mentres que os materiais cerámicos absorben enerxía mediante un proceso de microfisuración.

O proceso de absorción de enerxía das cerámicas balísticas pódese dividir aproximadamente en tres etapas:

(1) Fase de impacto inicial: o proxectil golpea a superficie da cerámica, deformándoa de forma contundente e absorbendo enerxía, á vez que crea unha zona de fragmentos finos e duros mediante a fractura da superficie cerámica;

(2) Fase de erosión: o proxectil romo continúa a erosionar a área do fragmento, formando unha capa continua de fragmentos cerámicos;

(3) Fase de deformación, rachadura e fractura: Finalmente, xérase unha tensión de tracción dentro da cerámica, o que fai que se rompa e, posteriormente, o material de soporte defórmase, absorbendo toda a enerxía restante a través da súa deformación. Durante o impacto do proxectil contra a cerámica, tanto o proxectil como a cerámica sofren danos.

Parte III: Requisitos para as propiedades dos materiais de cerámica a proba de balas
Debido á fraxilidade inherente das cerámicas, tenden a fracturarse baixo o impacto do proxectil en lugar de sufrir deformación plástica. Baixo carga de tracción, as fracturas inícianse principalmente en sitios non homoxéneos, como poros e límites de grans. Polo tanto, para minimizar a concentración de tensións microscópicas, as cerámicas de armadura deben ser de alta calidade, con baixa porosidade (alcanzando o 99 % da densidade teórica) e unha estrutura de gran fino.

Parte III: Os materiais cerámicos balísticos máis empregados

Desde o século XXI, o desenvolvemento da cerámica balística foi rápido, con varios tipos, incluíndo a alúmina, o carburo de silicio, o carburo de boro, nitruro de silicioe boruro de titanio. Entre estes,cerámica de alúmina (Al₂O₃), cerámica de carburo de silicio (SiC), e cerámica de carburo de boro (B₄C) teñen as aplicacións máis amplas. As cerámicas de alúmina teñen a maior densidade; non obstante, teñen unha dureza relativamente menor, un limiar de procesamento máis baixo e son máis accesibles. Clasifícanse segundo a pureza en cerámicas de alúmina 85/90/95/99, cos correspondentes aumentos de dureza e prezo.

As cerámicas de carburo de silicio teñen unha densidade relativamente baixa e unha dureza elevada, o que as converte en cerámicas estruturais de alto rendemento. Polo tanto, actualmente son as cerámicas balísticas máis empregadas a nivel nacional. As cerámicas de carburo de boro teñen a densidade máis baixa e a dureza máis alta entre estas cerámicas, pero tamén teñen requisitos rigorosos para as técnicas de procesamento, o que require a sinterización a alta temperatura e alta presión, o que resulta no custo máis alto entre os tres tipos de cerámica.

Comparando estes tres materiais cerámicos balísticos de uso común, a cerámica balística de alúmina ten o menor custo, pero o seu rendemento balístico é moi inferior ao do carburo de silicio e o carburo de boro. Polo tanto, entre as unidades de produción nacionais de cerámica balística, o carburo de silicio e o carburo de boro úsanse predominantemente, mentres que a cerámica de alúmina é bastante rara. Non obstante, a alúmina monocristalina pódese usar para preparar cerámicas transparentes, que se utilizan amplamente como materiais transparentes funcionais ópticos en equipos militares como viseiras de chalecos individuais, fiestras de detección de mísiles, fiestras de observación de vehículos e periscopios de submarinos.

Parte Ⅳ: Os dous tipos máis populares de materiais cerámicos balísticos

• Cerámica a proba de balas de carburo de silicio

As unións covalentes de carburo de silicio son extremadamente fortes e aínda teñen unha unión de alta resistencia a altas temperaturas, o que confire ás cerámicas de carburo de silicio unha excelente resistencia, alta dureza, resistencia ao desgaste, resistencia á corrosión, alta condutividade térmica, boa resistencia ao choque térmico e outras propiedades. Ao mesmo tempo, as cerámicas de carburo de silicio teñen un prezo moderado e son rendibles, e son un dos materiais de protección de blindaxe de alto rendemento con maior potencial de desenvolvemento.

As cerámicas de carburo de silicio teñen un amplo potencial de desenvolvemento no campo da protección de blindaxes, e as súas aplicacións son cada vez máis diversas en áreas como equipos individuais e vehículos especiais. Cando se usan como materiais de blindaxe protectora, téñense en conta factores como o custo e os escenarios de aplicación específicos. Normalmente, os pequenos paneis cerámicos colócanse e únense a un soporte composto para formar unha placa diana composta de cerámica, co fin de superar a falla causada pola tensión de tracción na cerámica e garantir que, durante o impacto do proxectil, só se rompa un único panel sen comprometer a integridade da blindaxe xeral.

• Cerámica a proba de balas de carburo de boro

O carburo de boro é un material superduro cunha dureza que só supera o diamante e o nitruro de boro cúbico entre os materiais coñecidos, cunha dureza de ata 3000 kg/mm². Baixa densidade, só 2,52 g/cm³, que é 1/3 do aceiro; alto módulo elástico de 450 GPa; O punto de fusión é alto, uns 2447 °C; Ten un baixo coeficiente de expansión térmica e alta condutividade térmica. Ademais, o carburo de boro ten boa estabilidade química, resistencia á corrosión ácida e alcalina, non reacciona con ácidos e álcalis nin coa maioría dos líquidos compostos inorgánicos a temperatura ambiente, e só ten corrosión lenta en mesturas de ácido fluorhídrico-ácido sulfúrico e ácido fluorhídrico-ácido nítrico. E non se molla nin interactúa coa maioría dos metais fundidos. O carburo de boro tamén ten unha boa capacidade para absorber neutróns, que outros materiais cerámicos non teñen. A densidade do B4C é a máis baixa entre varias cerámicas de blindaxe de uso común, e o seu alto módulo elástico convérteo nunha boa opción para materiais en blindaxe militar e dominios espaciais. Os principais problemas do B4C son que é caro (aproximadamente 10 veces máis que a alúmina) e fráxil, o que limita a súa aplicación xeneralizada como armadura protectora monofásica.

Parte III: Mellora da cerámica a proba de balas

Aínda que o potencial balístico do carburo de silicio e do carburo de boro é moi grande, non se poden ignorar os problemas de baixa tenacidade á fractura e fraxilidade das cerámicas monofásicas. O desenvolvemento da tecnoloxía moderna propuxo requisitos para a funcionalidade e a economía das cerámicas a proba de balas: multifuncionais, de alto rendemento, lixeiras, de baixo custo e seguranza. Polo tanto, nos últimos anos, expertos e estudosos esperan lograr a tenacidade, a lixeireza e a economía da cerámica mediante axustes microscópicos, incluíndo compostos de sistemas multicerámicos, cerámicas de gradiente funcional, deseño de estrutura en capas, etc., e esta armadura é máis lixeira que a armadura actual, o que mellora mellor o rendemento de mobilidade das unidades de combate. As cerámicas de gradiente funcional mostran cambios regulares nas propiedades do material a través de compoñentes de deseño microscópicos.

Por exemplo, o boruro de titanio e o metal de titanio, así como os sistemas compostos de metal/cerámica como a alúmina, o carburo de silicio, o carburo de boro, o nitruro de silicio e o metal de aluminio, presentan un cambio de gradiente no rendemento ao longo da posición do grosor, é dicir, prepárase a transición dunha cerámica a proba de balas de alta dureza a unha de alta tenacidade.
As cerámicas de fase nanocomplexa son cerámicas de fase complexa formadas engadindo partículas dispersas submicrométricas ou nanométricas á cerámica de matriz. Como SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC, etc., presentan unha certa mellora na dureza, tenacidade e resistencia da cerámica. Segundo informes, os países occidentais están a estudar a sinterización de pós nanométricos para preparar cerámicas cun tamaño de gran de decenas de nanómetros para lograr o endurecemento do material, e espérase que as cerámicas a proba de balas logren un gran avance neste sentido.