Серия Керамика Пуленепробиваемый - Сравнение основных керамических материалов для пуленепробиваемости
Основными керамическими материалами, которые можно использовать в качестве пуленепробиваемых материалов, являются: оксид алюминия,Карбид кремния, карбид бора,нитрид кремнияи борид титана. Среди них наибольшее распространение получили керамика из оксида алюминия (Al2O3), керамика из карбида кремния (Карбид кремния) и керамика из карбида бора (B4C). Пуленепробиваемая керамика из оксида алюминия имеет низкую твердость (HRA90) и высокую плотность по сравнению с двумя другими, но дешевле. Пуленепробиваемая керамика из карбида кремния обладает самой высокой твердостью и лучшими характеристиками среди трех, но при этом намного дороже, чем два других материала. Твердость пуленепробиваемой керамики из карбида кремния может достигать HRA92, а плотность составляет всего 82% от плотности пуленепробиваемых пластин из оксида алюминия, при умеренной цене и более широком применении.
1. Керамика из оксида алюминия
Керамика из оксида алюминия представляет собой серию керамических материалов на основе высокотемпературного оксида алюминия (α-Al2O3) в качестве основной кристаллической фазы, а α-Al2O3 является единственным вариантом Al2O3, который существует в природе в природе. Он имеет самую компактную структуру, самую низкую реакционную способность и лучшие электрохимические свойства среди всех вариантов и может оставаться стабильным при всех температурах.
Свойства алюмооксидной керамики
| Свойство Al2O3 | Спекание |
| Плотность (г/см3) | 3,6-3,95 |
| Прочность на изгиб (МПа) | 200-400 |
| Модуль Юнга (ГПа) | 300-450 |
| Вязкость разрушения (МПа.м1/2) | 3,0-4,5 |
| Твердость (ГПа) | 12-18 |
Преимущества: Являясь керамическим материалом первого поколения в области пуленепробиваемости, оксид алюминия не только является самым прочным и твердым среди всех оксидов, но также обладает хорошей стойкостью к окислению, химической инертностью, низкой стоимостью и его легко получить. Кроме того, спеченные изделия широко используются в различной бронетехнике, а также в военной и полицейской пуленепробиваемой одежде из-за их гладкой поверхности, стабильных размеров и низкой цены.
Недостатки: Низкая прочность на изгиб и вязкость разрушения, низкая устойчивость к термическому удару. Кроме того, характеристики оксида алюминия сильно различаются, в основном в зависимости от параметров процесса, содержания примесей, размера частиц и температуры спекания. В то же время высокая плотность оксида алюминия не может соответствовать тенденции создания легкой брони.
Карбид кремния имеет уникальную кристаллическую структуру. Используя один из четырех атомов углерода в качестве центра и атомы кремния в качестве спаренных атомов, один из четырех крайних электронов выбирается для спаривания с самым внешним электроном центрального атома углерода. При циклической работе конечная структура эквивалентна структуре алмазного тетраэдра, состоящей из связей Си-C, которая демонстрирует чрезвычайно высокую твердость. В то же время эта структура имеет прочные ковалентные связи и высокую энергию связи Си-C, благодаря чему материалы из карбида кремния обладают характеристиками высокого модуля, высокой твердости и высокой удельной прочности.
Свойства карбидокремниевой керамики при различных процессах спекания
| НИЦ Недвижимость | Спекание горячим прессованием | Горячее изостатическое прессование | Реакционное спекание | Искрово-плазменное спекание |
| Плотность (г/см3) | 3,25-3,28 | 3.01-3.13 | 3.02 | 3.12-3.20 |
| Прочность на изгиб (МПа) | 500-730 | 366-950 | 260 | 420-850 |
| Модуль Юнга (ГПа) | 440-450 | - | 359 | 420-460 |
| Вязкость разрушения (МПа.м1/2) | 5,0-5,5 | 4,51-5,79 | 4.00 | 3,4-7,0 |
| Твердость (ГПа) | 20 | 10,5-20,0 | 17.23 | 19,8-32,7 |
Преимущества: Это наиболее широко используемый неоксидный керамический материал с высокой твердостью, уступающий только алмазу, кубическому нитриду бора и карбиду бора. Благодаря низкой плотности и высокой твердости эта керамика очень подходит длябаллистическая защитаи находится в промежуточной зоне между оксидом алюминия и карбидом бора с точки зрения механических свойств, свойств плотности, баллистических свойств и затрат на применение.
Недостатки: Молекулярная структура и характеристики карбида кремния определяют его более низкую ударную вязкость. При попадании пули его сверхвысокая прочность может полностью противостоять огромной кинетической энергии пули и мгновенно разбить пулю, но она также треснет или даже разлетится на куски в момент удара, что делает керамическую пластину из карбида кремния подходит только для определенных областей пуленепробиваемости. Однако многие исследователи в области молекулярного материаловедения в настоящее время утверждают, что низкую ударную вязкость карбида кремния можно теоретически компенсировать и преодолеть путем управления процессом спекания и подготовки керамического волокна. Это значительно расширит диапазон применения карбида кремния в области противопульной защиты, сделав его идеальным материалом для изготовления противопульной техники.
3. Карбид Бора керамический
Кристалл карбида бора относится к ромбоэдрическому структурному типу. В своей ромбоэдрической структуре каждая элементарная ячейка содержит 15 атомов, из которых 12 атомов (B11C) образуют икосаэдр, образуя пространственную структуру, а остальные три атома объединяются, образуя цепочку Си-Би-Си. Икосаэдр связан с цепью Си-Би-Си посредством ковалентных связей, образуя относительно стабильную структуру. В то же время его составляющие элементы, углерод и бор, имеют очень схожие свойства и атомные радиусы, в результате чего B4C обладает превосходными свойствами, которых нет у другой неоксидной керамики.
Свойства карбида бора при различных процессах спекания
| B4C Недвижимость | Спекание горячим прессованием | Горячее изостатическое прессование | Реакционное спекание | Искрово-плазменное спекание |
| Плотность (г/см3) | 2,45-2,52 | 2,42-2,51 | 2,48-2,54 | 2,43-2,60 |
| Прочность на изгиб (МПа) | 200-500 | 365-627 | 235-321 | 607-627 |
| Модуль Юнга (ГПа) | 440-460 | 393-444 | 330-426 | 403-590 |
| Вязкость разрушения (МПа.м1/2) | 2,0-4,7 | 2,4-3,3 | 4.1-4.4 | 2,8-5,8 |
| Твердость (ГПа) | 29-35 | 25-31 | 13,4-18,0 | 30,5-38,3 |
Преимущества: Практически постоянная высокотемпературная твердость и хорошие механические свойства. В то же время его плотность является самой низкой среди некоторых широко используемых бронекерамик, а высокий модуль упругости делает его хорошим выбором для военной брони и космических материалов.
Недостатки: Из-за высококовалентной природы ковалентных связей между атомами бора и углерода его спекание плохое. Поэтому необходимо использовать высокие температуры спекания, очень близкие к температуре плавления материала. Эти высокие температуры приводят к образованию остаточных пор и последующего расстояния между зернами, что ухудшает свойства и характеристики материала. Поэтому обычно применяют горячее прессование или горячее изостатическое прессование, что приводит к увеличению производственных затрат.
