③Il materiale ceramico antiproiettile più comunemente usato
Dal 21° secolo, le ceramiche antiproiettile si sono sviluppate rapidamente e ne esistono molti tipi, tra cui allumina, carburo di silicio, carburo di boro, nitruro di silicio, boruro di titanio, ecc., tra cui ceramiche di allumina (Al₂O₃), ceramiche di carburo di silicio (SiC), le ceramiche al carburo di boro (B4C) sono le più utilizzate.
La ceramica di allumina ha la densità più alta, ma la durezza è relativamente bassa, la soglia di lavorazione è bassa, il prezzo è basso, in base alla purezza è divisa in ceramica di allumina 85/90/95/99, anche la durezza e il prezzo corrispondenti sono aumentati a sua volta.
| Materiali | Densità /(kg*m²) | Modulo elastico / (GN*m²) | HV | Equivalente al prezzo dell'allumina |
| Carburo di boro | 2500 | 400 | 30000 | X10 |
| Ossido di alluminio | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| Diboruro di titanio | 4500 | 570 | 33000 | X10 |
| Carburo di silicio | 3200 | 370 | 27000 | X5 |
| Placcatura di ossidazione | 2800 | 415 | 12000 | X10 |
| BC/SiC | 2600 | 340 | 27500 | X7 |
| Ceramica di vetro | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| Nitruro di silicio | 3200 | 310 | 17000 | X5 |
Confronto delle proprietà di diverse ceramiche antiproiettile
La densità della ceramica al carburo di silicio è relativamente bassa, l'elevata durezza, è una ceramica strutturale economica, quindi è anche la ceramica antiproiettile più utilizzata in Cina.
Le ceramiche al carburo di boro hanno la densità più bassa e la durezza più alta tra queste ceramiche, ma allo stesso tempo, anche i loro requisiti per la tecnologia di lavorazione sono molto elevati, richiedendo sinterizzazione ad alta temperatura e alta pressione, quindi anche il costo è il più alto tra queste tre ceramiche.
Rispetto a questi tre materiali ceramici antiproiettile più comuni, la ceramica antiproiettile in allumina ha il costo più basso, ma le prestazioni antiproiettile sono molto inferiori rispetto al carburo di silicio e al carburo di boro, quindi le attuali unità di produzione nazionale di ceramica antiproiettile in carburo di silicio e carburo di boro antiproiettile, mentre le ceramiche di allumina sono rare.Tuttavia, l'allumina monocristallina può essere utilizzata per preparare ceramiche trasparenti, che sono ampiamente utilizzate come materiali trasparenti con funzioni luminose e vengono applicate in attrezzature militari come maschere antiproiettile individuali per soldati, finestre di rilevamento missili, finestre di osservazione di veicoli e periscopi sottomarini.
④Due dei materiali ceramici antiproiettile più popolari
Ceramica antiproiettile al carburo di silicio
Il legame covalente del carburo di silicio è molto forte e ha ancora un legame ad alta resistenza ad alta temperatura.Questa caratteristica strutturale conferisce alla ceramica al carburo di silicio eccellente resistenza, elevata durezza, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, elevata conduttività termica, buona resistenza allo shock termico e altre proprietà.Allo stesso tempo, il prezzo della ceramica al carburo di silicio è moderato, conveniente ed è uno dei materiali di protezione per armature ad alte prestazioni più promettenti.
Le ceramiche al carburo di silicio hanno un ampio spazio di sviluppo nel campo della protezione delle armature e le loro applicazioni nel campo delle attrezzature individuali e dei veicoli speciali tendono ad essere diversificate.Se utilizzato come materiale per l'armatura protettiva, considerando il costo, le occasioni di applicazione speciale e altri fattori, di solito è una piccola disposizione di pannelli in ceramica e backplane composito incollati nella piastra target composita in ceramica, per superare il cedimento della ceramica dovuto allo stress di trazione e per garantire che la penetrazione del proiettile frantumi solo un singolo pezzo senza danneggiare l'intera armatura.
Ceramica antiproiettile al carburo di boro
Il carburo di boro è la durezza dei materiali conosciuti dopo il materiale superduro del diamante e del nitruro di boro cubico, durezza fino a 3000 kg/mm²;La densità è bassa, solo 2,52 g/cm³, ovvero 1/3 dell'acciaio;Elevato modulo elastico, 450GPa;Alto punto di fusione, circa 2447 ℃;Il coefficiente di dilatazione termica è basso e la conduttività termica è elevata.Inoltre, il carburo di boro ha una buona stabilità chimica, resistenza alla corrosione acida e alcalina, a temperatura ambiente non reagisce con acidi e basi e la maggior parte dei liquidi composti inorganici, solo in acido fluoridrico-acido solforico, il liquido misto acido fluoridrico-acido nitrico ha una corrosione lenta ;E la maggior parte dei metalli fusi non si inumidisce, non agisce.Il carburo di boro ha anche una buona capacità di assorbire i neutroni, che non è disponibile in altri materiali ceramici.B4C ha la densità più bassa tra molte ceramiche per armature comunemente usate, combinata con un modulo di elasticità elevato, che la rende una buona scelta per i materiali nei settori spaziale e delle armature militari.Il problema principale del B4C è che è costoso (circa 10 volte quello dell’allumina) e fragile, il che ne limita l’ampia applicazione come armatura protettiva monofase.
⑤Metodo di preparazione della ceramica antiproiettile.
| Tecnologia di preparazione | Caratteristiche del processo | |
| Vantaggio | ||
| Sinterizzazione con pressa a caldo | Con una bassa temperatura di sinterizzazione e un tempo di sinterizzazione breve, è possibile ottenere ceramiche con grana fine, elevata densità relativa e buone proprietà meccaniche. | |
| Sinterizzazione ad altissima pressione | Ottieni una sinterizzazione rapida e a bassa temperatura, un tasso di densificazione aumentato. | |
| Sinterizzazione con pressatura isostatica a caldo | Ceramiche con prestazioni elevate e forma complessa possono essere preparate mediante una bassa temperatura di sinterizzazione, tempi di lavorazione brevi e un ritiro uniforme del corpo difettoso. | |
| Sinterizzazione a microonde | Densificazione rapida, riscaldamento uniforme a gradiente zero, miglioramento della struttura del materiale, miglioramento delle prestazioni del materiale, alta efficienza e risparmio energetico. | |
| Sinterizzazione al plasma a scarica | Il tempo di sinterizzazione è breve, la temperatura di sinterizzazione è bassa, le prestazioni della ceramica sono buone e la densità del materiale con gradiente di sinterizzazione ad alta energia è elevata. | |
| Metodo di fusione con fascio di plasma | La materia prima in polvere è completamente fusa, non è limitata dalla dimensione delle particelle della polvere, non necessita di un flusso a basso punto di fusione e il prodotto ha una struttura densa. | |
| Sinterizzazione della reazione | La tecnologia di produzione di dimensioni quasi nette, il processo semplice, a basso costo, possono preparare parti di grandi dimensioni e di forma complessa. | |
| Sinterizzazione senza pressione | Il prodotto ha eccellenti prestazioni alle alte temperature, un processo di sinterizzazione semplice e un costo contenuto.Esistono molti metodi di formatura adatti, che possono essere utilizzati per pezzi di grandi dimensioni complessi e spessi e adatti anche per la produzione industriale su larga scala. | |
| Sinterizzazione in fase liquida | Bassa temperatura di sinterizzazione, bassa porosità, grana fine, alta densità, alta resistenza | |
| Tecnologia di preparazione | Caratteristiche del processo | |
| Svantaggio | ||
| Sinterizzazione con pressa a caldo | Il processo è più complesso, i materiali dello stampo e i requisiti delle attrezzature sono elevati, l'efficienza produttiva è bassa, il costo di produzione è elevato e la forma può essere preparata solo con prodotti semplici. | |
| Sinterizzazione ad altissima pressione | È possibile preparare solo prodotti con forme semplici, bassa produzione, elevati investimenti in attrezzature, elevate condizioni di sinterizzazione e elevato consumo energetico.Attualmente è solo in fase di ricerca | |
| Sinterizzazione con pressatura isostatica a caldo | Il costo dell'attrezzatura è elevato e la dimensione del pezzo da lavorare è limitata | |
| Sinterizzazione a microonde | La tecnologia teorica necessita di miglioramenti, mancano le attrezzature e non è stata ampiamente applicata | |
| Sinterizzazione al plasma a scarica | La teoria di base deve essere migliorata, il processo è complesso e il costo è elevato e non è stato industrializzato. | |
| Metodo di fusione con fascio di plasma | Non sono stati raggiunti elevati requisiti di attrezzatura per un'applicazione diffusa. | |
| Sinterizzazione della reazione | Il silicio residuo riduce le proprietà meccaniche alle alte temperature, la resistenza alla corrosione e la resistenza all'ossidazione del materiale. | |
| Sinterizzazione senza pressione | La temperatura di sinterizzazione è elevata, c'è una certa porosità, la resistenza è relativamente bassa e c'è un ritiro del volume di circa il 15%. | |
| Sinterizzazione in fase liquida | È soggetto a deformazione, ritiro elevato e precisione dimensionale difficile da controllare | |
| Ceramica |
| AL2O3 .B4 C .SiC |
| AL2O3 |
| AL2O3 .B4 C .SiC |
| AL2O3 |
| AL2O3 .B4 C .SiC |
| AL2O3 |
| B4 C .SiC |
| AL2O3 .B4 C .SiC |
| .SiC |
Aggiornamento della ceramica antiproiettile
Sebbene il potenziale antiproiettile del carburo di silicio e del carburo di boro sia molto ampio, il problema della resistenza alla frattura e della scarsa fragilità delle ceramiche monofase non può essere ignorato.Lo sviluppo della scienza e della tecnologia moderne ha avanzato requisiti per la funzionalità e l'economia della ceramica antiproiettile: multifunzionale, ad alte prestazioni, leggera, a basso costo e sicurezza.Pertanto, negli ultimi anni, esperti e studiosi sperano di ottenere il rafforzamento, la leggerezza e l'economicità della ceramica attraverso la micro-regolazione, compreso il composito di sistema ceramico multicomponente, la ceramica a gradiente funzionale, il design della struttura a strati, ecc., e tale armatura è leggera peso rispetto all'armatura odierna e migliorare meglio le prestazioni mobili delle unità combattenti.
Le ceramiche funzionalmente classificate mostrano cambiamenti regolari nelle proprietà dei materiali attraverso il design microcosmico.Ad esempio, boruro di titanio e metallo di titanio e ossido di alluminio, carburo di silicio, carburo di boro, nitruro di silicio e alluminio metallico e altri sistemi compositi metallo/ceramica, le prestazioni del gradiente cambiano lungo la posizione dello spessore, ovvero la preparazione di elevata durezza passaggio alla ceramica antiproiettile ad alta tenacità.
Le ceramiche multifase nanometriche sono composte da particelle di dispersione submicroniche o nanometriche aggiunte alla matrice ceramica.Come SiC-Si3N4-Al2O3, B4C-SiC, ecc., la durezza, la tenacità e la resistenza della ceramica presentano un certo miglioramento.È stato riferito che i paesi occidentali stanno studiando la sinterizzazione della polvere su scala nanometrica per preparare ceramiche con una granulometria di decine di nanometri per ottenere resistenza e tenacità del materiale, e si prevede che la ceramica antiproiettile raggiungerà un grande passo avanti in questo senso.
Riassumere
Che si tratti di ceramica monofase o ceramica multifase, i migliori materiali ceramici antiproiettile o inseparabili dal carburo di silicio, il carburo di boro questi due materiali.Soprattutto per i materiali in carburo di boro, con lo sviluppo della tecnologia di sinterizzazione, le eccellenti proprietà delle ceramiche in carburo di boro stanno diventando sempre più importanti e le loro applicazioni nel campo della protezione antiproiettile verranno ulteriormente sviluppate.
Orario di pubblicazione: 14 dicembre 2023