Керамическая пуленепробиваемая серия — сравнение основных керамических материалов для пуленепробиваемости
Основными керамическими материалами, которые могут быть использованы в качестве пуленепробиваемых материалов, являются: оксид алюминия,Карбид кремния, карбид бора,нитрид кремнияи борид титана. Среди них наиболее широко используются 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 материалов, но она также 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 — единственный вариант Al2O3, существующий в природе в мире. Он имеет наиболее компактную структуру, самую низкую реакционную способность и лучшие электрохимические свойства среди всех вариантов и может оставаться стабильным при любых 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 |
Прочность на излом (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 и низкой стоимостью, а также его легко получить. Кроме того, спеченные изделия широко используются в различных бронированных транспортных средствах, а также в военной и полицейской пуленепробиваемой одежде из-за их гладкой поверхности, стабильного размера и низкой цены.
Недостатки: Низкая прочность на изгиб и вязкость разрушения, низкая стойкость к тепловому 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 легкой брони.
2. Керамика из карбида кремния
карбид кремния имеет уникальную кристаллическую структуру. Используя один из четырех атомов углерода в качестве центра и атомы кремния в качестве парных атомов, один из четырех самых удаленных электронов выбирается для соединения с самым внешним электроном центрального атома углерода. При циклической работе окончательная структура эквивалентна структуре алмазного тетраэдра, состоящей из связей Си -C, которая обладает чрезвычайно высокой твердостью. В то же время эта структура имеет сильные 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
СИЦ Имущество | Спекание горячим прессованием | Горячее изостатическое прессование | Реакционное спекание | Искровое 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 |
Прочность на излом (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 защита, и находится в промежуточной зоне между оксидом алюминия и карбидом бора по механическим свойствам, характеристикам плотности, баллистическим свойствам и стоимости применения.
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 моментально разбить пулю, но в момент удара она также расколется или даже разорвется на части, 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 низкая ударная вязкость карбида кремния теоретически может быть компенсирована и преодолена за счет управления процессом спекания и подготовки керамического волокна. Это значительно расширит спектр применения карбида кремния в области пуленепробиваемости, что сделает его идеальным материалом для изготовления пуленепробиваемого снаряжения.
3. карбид бора&NBSP ;керамический
Кристалл карбида бора относится к ромбоэдрическому типу строения. В его ромбоэдрической структуре каждая элементарная ячейка содержит 15 атомов, из которых 12 атомов (B11C) образуют икосаэдр, образуя пространственную структуру, а остальные три атома объединяются, образуя цепь Си-Би-Си . Икосаэдр связан с цепью Си-Би-Си ковалентными связями, образуя относительно стабильную структуру. В то же время составляющие его элементы, углерод и бор, имеют очень похожие свойства и атомные радиусы, в результате чего B4C обладает превосходными свойствами, которых нет у другой неоксидной керамики.
Свойства карбида бора при различных процессах спекания
Недвижимость B4C | Спекание горячим прессованием | Горячее изостатическое прессование | Реакционное спекание | Искровое 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 |
Прочность на излом (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: Почти постоянная твердость при высоких температурах и хорошие механические свойства. В то же время его плотность является самой низкой среди нескольких широко используемых броневых керамических материалов, а его высокий модуль упругости делает его хорошим выбором для военной брони и космических материалов.
Недостатки: из-за сильно ковалентного характера ковалентных связей между атомами бора и углерода плохо спекается. Поэтому необходимо использовать высокие температуры спекания, очень близкие к температуре плавления материала. Эти высокие температуры приводят к образованию остаточных пор и последующему распределению зерен, что ухудшает свойства и характеристики материала. Поэтому обычно применяют горячее прессование или горячее изостатическое прессование, что приводит к удорожанию производства.