Vojna vozila tradicionalno su izrađena od teškog, skupog, ali oklopnog čelika velike čvrstoće. Moderni keramički kompozitni materijali sve se više koriste kao nenosiva zaštita za borbena vozila. Glavne prednosti takvih materijala su značajno niži troškovi, poboljšana zaštita i smanjenje težine za više od polovine. Razmotrite moderne osnovne keramičke materijale koji se danas koriste za balističku zaštitu
Zbog svoje sposobnosti podnošenja vrlo visokih temperatura, znatno viših od temperature metala, tvrdoće, najveće specifične čvrstoće i specifične krutosti, keramika se široko koristi za izradu obloga za motore, dijelove raketa, rezne ivice alata, posebne prozirne i neprozirni štitovi, koji su, naravno, među prioritetnim područjima za razvoj vojnih sistema. Međutim, u budućnosti bi se opseg njegove primjene trebao značajno proširiti, jer se u okviru istraživanja i razvoja provedenih u mnogim zemljama svijeta traže novi načini povećanja plastičnosti, otpornosti na pucanje i drugih poželjnih mehaničkih svojstava kombinirajući keramičku podlogu s armirajućim vlaknima u takozvanoj keramičkoj matrici, kompozitni materijali (KMKM). Također, nove proizvodne tehnologije omogućit će masovnu proizvodnju vrlo izdržljivih, visokokvalitetnih prozirnih proizvoda složenih oblika i velikih veličina od materijala koji prenose vidljive i infracrvene valove. Osim toga, stvaranje novih struktura pomoću nanotehnologije omogućit će dobijanje izdržljivih i lakih, otpornih na pregrijavanje, kemijski otpornih i, istovremeno, gotovo neuništivih materijala. Ova kombinacija svojstava danas se smatra međusobno isključujućom pa je stoga vrlo atraktivna za vojne primjene.
Keramičko-matrični kompozitni materijali (KMKM)
Kao i njihovi polimerni analozi, CMC se sastoje od osnovne tvari, koja se naziva matrica, i punila za ojačavanje, koje je čestica ili vlakno od drugog materijala. Vlakna mogu biti kontinuirana ili diskretna, nasumično orijentirana, položena pod preciznim kutovima, isprepletena na poseban način kako bi se postigla povećana čvrstoća i krutost u datim smjerovima, ili ravnomjerno raspoređena u svim smjerovima. Međutim, bez obzira na kombinaciju materijala ili orijentaciju vlakana, veza između matrice i komponente za ojačavanje kritična je za svojstva materijala. Budući da su polimeri manje kruti od materijala koji ih pojačava, veza između matrice i vlakana obično je dovoljno jaka da omogući materijalu da se odupre savijanju u cjelini. Međutim, u slučaju CMCM -a, matrica može biti čvršća od armaturnih vlakana, tako da sila vezivanja, slično optimizirana kako bi se omogućila lagana delokalizacija vlakana i matrice, pomaže apsorbirati energiju udara, na primjer, i spriječiti razvoj pukotina to bi inače dovelo do krtog uništenja i cijepanja. To čini CMCM mnogo viskoznijim u usporedbi s čistom keramikom, a to je najvažnije od svojstava visoko opterećenih pokretnih dijelova, na primjer, dijelova mlaznih motora.
Lagane i vruće lopatice turbine
U februaru 2015. godine, GE Aviation je najavila uspješna ispitivanja onoga što naziva "prvim na svijetu nestatičnim CMC kompletom za avionski motor", iako kompanija nije otkrila materijale koji se koriste za matricu i materijal za ojačanje. Govorimo o lopaticama turbine niskog pritiska u eksperimentalnom modelu turboventilatorskog motora F414, čiji je razvoj namijenjen da dodatno potvrdi usklađenost materijala s deklariranim zahtjevima za rad pri visokim udarnim opterećenjima. Ova aktivnost je dio demonstracionog programa samo-prilagodljivog motora nove generacije Adaptera Engine Technology Demonstrator (AETD), u kojem GE surađuje s američkom istraživačkom laboratorijom zračnih snaga. Cilj programa AETD je pružiti ključne tehnologije koje bi se mogle implementirati u motore lovaca šeste generacije, a počevši sredinom 2020-ih, u motore aviona pete generacije, poput F-35. Prilagodljivi motori moći će prilagoditi svoj porast pritiska i omjer zaobilaženja u letu kako bi postigli maksimalni potisak tokom polijetanja i u borbi ili maksimalnu efikasnost goriva u režimu krstarenja.
Kompanija naglašava da uvođenje rotirajućih dijelova izrađenih od CMC -a u „najtoplije i najviše opterećene“dijelove mlaznog motora predstavlja značajan napredak, budući da je ranije tehnologija dopuštala upotrebu CMC -a samo za proizvodnju stacionarnih dijelova, na primjer, poklopac turbine pod visokim pritiskom. Tokom ispitivanja, lopatice turbine KMKM u motoru F414 prošle su 500 ciklusa - od brzine u praznom hodu do potiska pri polijetanju i nazad.
Lopatice turbine mnogo su lakše od konvencionalnih noževa od legure nikla, što je omogućilo da metalni diskovi na koje su pričvršćeni budu manji i lakši, saopćila je kompanija.
“Prelazak sa legura nikla na rotirajuću keramiku unutar motora je zaista veliki skok naprijed. Ali to je čista mehanika”, rekao je Jonathan Blank, šef CMC -a i polimernih veziva u GE Aviation. - Lakši noževi stvaraju manju centrifugalnu silu. To znači da možete skupljati disk, ležajeve i druge dijelove. KMKM je omogućio revolucionarne promjene u dizajnu mlaznog motora”.
Cilj programa AETD je smanjiti specifičnu potrošnju goriva za 25%, povećati domet leta za više od 30% i povećati maksimalni potisak za 10% u odnosu na najnaprednije lovce 5. generacije. “Jedan od najvećih izazova pri prelasku sa statičkih CMC komponenti na rotirajuće komponente je polje naprezanja u kojem moraju djelovati”, rekao je Dan McCormick, menadžer programa naprednih borbenih motora u GE Aviation. Istovremeno je dodao da je testiranje motora F414 dalo važne rezultate koji će se koristiti u motoru sa prilagodljivim ciklusom. “Nož CMC turbine niskog pritiska teži tri puta manje od metalnog sječiva koje zamjenjuje. Osim toga, u drugom ekonomičnom načinu rada nema potrebe za hlađenjem lopatice CMC-a zrakom. Sečivo će sada biti aerodinamički efikasnije jer nema potrebe da se kroz njega pumpa sav ovaj rashladni vazduh."
Materijali KMKM -a, za koje kompanija kaže da je uložila više od milijardu dolara otkako je na njima počela raditi početkom 90 -ih, mogu izdržati temperature stotine stupnjeva veće od tradicionalnih legura nikla, a odlikuju se ojačanjem od silicij -karbidnih vlakana u keramičkoj matrici., što povećava njegovu udarnu čvrstoću i otpornost na pucanje.
Čini se da je GE učinio prilično težak posao na ovim lopaticama turbine. Zaista, neka mehanička svojstva KMKM -a su vrlo skromna. Na primjer, vlačna čvrstoća usporediva je s vlačnom čvrstoćom bakra i jeftinih aluminijskih legura, što nije dobro za dijelove koji su izloženi velikim centrifugalnim silama. Osim toga, pokazuju nisko naprezanje pri prekidu, odnosno vrlo se lagano izdužuju pri lomu. Međutim, čini se da su ovi nedostaci prevladani, a mala težina ovih materijala definitivno je dala važan doprinos pobjedi nove tehnologije.
Modularni oklop s nanokeramikom za tenk LEOPARD 2
Doprinos od kompozitnog oklopa
Iako su tehnologije zaštite, koje predstavljaju kombinaciju slojeva metala, polimernih kompozita ojačanih vlaknima i keramike, dobro uspostavljene, industrija nastavlja razvijati sve složenije kompozitne materijale, ali mnogi detalji ovog procesa pažljivo su skriveni. Morgan Advanced Materials dobro je poznat na tom području, objavljujući nagradu na konferenciji Armored Vehicles XV u Londonu prošle godine za svoju odbrambenu tehnologiju SAMAS. Prema Morganu, SAMAS zaštita koja se široko koristi u vozilima britanske vojske je kompozitni materijal ojačan materijalima poput stakla S-2, E-stakla, aramida i polietilena, zatim oblikovan u ploče i stvrdnut pod visokim pritiskom: „Vlakna se mogu kombinirati s hibridnim keramičko-metalnim materijalima kako bi zadovoljili posebne zahtjeve dizajna i performansi."
Prema Morganu, SAMAS oklop ukupne debljine 25 mm, koji se koristi za proizvodnju zaštitnih kapsula posade, može smanjiti težinu lakih vozila zaštićenih za više od 1000 kg u odnosu na vozila sa čeličnom kapsulom. Druge prednosti uključuju lakše popravke s debljinom manjom od 5 mm i svojstvenim svojstvima ovojnice materijala.
Eksplicitan napredak spinela
Prema istraživačkoj laboratoriji američke mornarice, razvoj i proizvodnja prozirnih materijala na bazi magnezijevog aluminij -oksida (MgAI2O4), koji su zajedno poznati i kao umjetni špineli, cvjetaju. Spinele su odavno poznate ne samo po svojoj snazi - spinel debljine 0,25 "ima iste balističke karakteristike kao 2,5" neprobojno staklo - već i po poteškoćama u izradi velikih dijelova ujednačene prozirnosti. Međutim, grupa naučnika iz ove laboratorije izumila je novi postupak za sinterovanje na niskim temperaturama u vakuumu, koji vam omogućava da dobijete dijelove čije su dimenzije ograničene samo veličinom preše. Ovo je veliki napredak u odnosu na prethodne proizvodne procese, koji su započeli procesom topljenja originalnog praha u loncu za topljenje.
Jedna od tajni novog procesa je ujednačena distribucija aditiva za sinteriranje litijum -fluorida (LiF), koji topi i podmazuje zrna špinela tako da se mogu ravnomjerno rasporediti tokom sinterovanja. Umjesto suhog miješanja litijum fluorida i spinelnog praha, laboratorija je razvila metodu za jednoliko premazivanje čestica spinela litijum fluoridom. To vam omogućuje značajno smanjenje potrošnje LiF-a i povećanje propusnosti svjetlosti do 99% teoretske vrijednosti u vidljivom i srednjem infracrvenom području spektra (0,4-5 mikrona).
Novi proces, koji omogućuje proizvodnju optike u različitim oblicima, uključujući listove koji udobno pristaju uz krila aviona ili drona, licencirala je neimenovana kompanija. Moguće primjene za spinel uključuju oklopno staklo mase manje od polovine mase postojećeg stakla, zaštitne maske za vojnike, optiku za lasere nove generacije i multispektralna senzorska stakla. Prilikom masovne proizvodnje, na primjer, naočala otpornih na pucanje za pametne telefone i tablete, troškovi proizvoda od spinela značajno će se smanjiti.
PERLUCOR - nova prekretnica u sistemima zaštite od metka i habanja
CeramTec-ETEC je prije nekoliko godina razvio PERLUCOR prozirnu keramiku sa dobrim izgledima za odbranu i civilnu primjenu. Odlična fizička, kemijska i mehanička svojstva PERLUCOR -a bili su glavni razlozi uspješnog ulaska ovog materijala na tržište.
PERLUCOR ima relativnu prozirnost od preko 90%, tri do četiri puta jači i tvrđi od običnog stakla, otpornost na toplinu ovog materijala je oko tri puta veća, što mu omogućuje upotrebu na temperaturama do 1600 ° C, također ima izuzetno visoku kemijsku otpornost, što mu omogućuje upotrebu s koncentriranim kiselinama i lužinama. PERLUCOR ima visok indeks loma (1, 72), što omogućava proizvodnju optičkih objektiva i optičkih elemenata minijaturnih dimenzija, odnosno dobijanje uređaja sa snažnim povećanjem, što se ne može postići polimerima ili staklom. PERLUCOR keramičke pločice imaju standardnu veličinu 90x90 mm; međutim, CeramTec-ETEC je razvio tehnologiju za proizvodnju složenih listova zasnovanu na ovom formatu prema specifikacijama kupaca. Debljina ploča može u posebnim slučajevima biti desetine milimetra, ali u pravilu iznosi 2-10 mm.
Razvoj lakših i tanjih sistema transparentne zaštite za odbrambeno tržište napreduje velikom brzinom. Značajan doprinos ovom procesu daje prozirna keramika kompanije SegamTes, koja je dio sistema zaštite mnogih proizvođača. Kada se testira u skladu sa STANAG 4569 ili APSD, smanjenje težine je za 30-60 posto.
Posljednjih godina uobličio se drugi smjer u razvoju tehnologija koje je razvio SegatTes-ETEC. Prozori na vozilima, posebno u kamenitim i pustinjskim područjima poput Afganistana, skloni su udarcima kamena i ogrebotinama zbog pomicanja metlica brisača na pješčanom, prašnjavom vjetrobranskom staklu. Također se smanjuju balističke karakteristike stakla otpornih na metke oštećenih kamenim udarcima. Za vrijeme neprijateljstava vozila sa oštećenim staklom izložena su ozbiljnim i nepredvidivim rizicima. SegamTes-ETEC razvio je zaista inovativno i originalno rješenje za zaštitu stakla od ove vrste habanja. Tanak sloj (<1 mm) PERLUCOR keramičkog premaza na površini vjetrobranskog stakla pomaže u uspješnom odbijanju takvih oštećenja. Ova zaštita je pogodna i za optičke instrumente poput teleskopa, sočiva, infracrvene opreme i drugih senzora. Ravne i zakrivljene leće izrađene od PERLUCOR prozirne keramike produžuju vijek trajanja ove izuzetno vrijedne i osjetljive optičke opreme.
CeramTec-ETEC uspješno je predstavio staklenu ploču od neprobojnih vrata i zaštitnu ploču otpornu na ogrebotine i kamen na sajmu DSEI 2015 u Londonu.
Izdržljiva i fleksibilna nanokeramika
Fleksibilnost i otpornost nisu odlike svojstvene keramici, ali tim naučnika predvođen profesorkom nauke o materijalima i mehanikom Julijom Greer sa Kalifornijskog tehnološkog instituta pozabavio se problemom. Istraživači opisuju novi materijal kao "čvrste, lagane, regenerirajuće trodimenzionalne keramičke nano rešetke". Međutim, ovo je isto ime za članak koji su Greer i njeni studenti objavili u naučnom časopisu prije nekoliko godina.
Ono što se krije ispod najbolje ilustrira kocka nano -rešetki aluminij -oksida veličine nekoliko desetina mikrona, snimljena elektronskim mikroskopom. Pod djelovanjem opterećenja, skuplja se za 85%, a kada se ukloni, vraća se u prvobitnu veličinu. Eksperimenti su također izvedeni s rešetkama koje se sastoje od cijevi različitih debljina, a najtanje cijevi su najjače i najelastičnije. S debljinom stijenke cijevi od 50 nanometara, rešetka se srušila, a s debljinom stijenke od 10 nanometara vratila se u prvobitno stanje - primjer kako učinak veličine povećava čvrstoću nekih materijala. Teorija to objašnjava činjenicom da se smanjenjem veličine proporcionalno smanjuje broj nedostataka u rasutom materijalu. S ovom arhitekturom rešetki šupljih cijevi, 99,9% volumena kocke čini zrak.
Tim profesora Greera stvara ove male strukture pokretanjem procesa sličnog 3D štampanju. Svaki proces započinje CAD datotekom koja pokreće dva lasera koji "boje" strukturu u tri dimenzije, stvrdnjavajući polimer na mjestima gdje se grede u fazi međusobno pojačavaju. Nestvrdnuti polimer istječe iz očvrsnute rešetke koja sada postaje podloga za formiranje konačne strukture. Istraživači zatim nanose glinicu na podlogu metodom koja precizno kontrolira debljinu premaza. Konačno, krajevi rešetke su izrezani kako bi se uklonio polimer, ostavljajući samo kristalnu rešetku šupljih cijevi od glinice.
Čvrstoća čelika, ali teži poput zraka
Potencijal takvih "projektiranih" materijala, koji su uglavnom po volumenu zraka, ali su manje jaki kao čelik, ogroman je, ali teško shvatljiv, pa je profesor Greer dao nekoliko upečatljivih primjera. Prvi primjer, baloni iz kojih se ispumpava helij, ali u isto vrijeme zadržavaju svoj oblik. Drugi, budući avion, čiji je dizajn težak koliko i ručni model. Najviše nas iznenađuje da su poznati most Golden Gate napravljeni od takvih nano rešetki, svi materijali potrebni za njegovu izgradnju mogli bi se postaviti (isključujući zrak) na ljudski dlan.
Baš kao što su ogromne strukturne prednosti ovih žilavih, lakih i otpornih materijala otpornih na toplinu pogodne za bezbroj vojnih primjena, njihova unaprijed određena električna svojstva mogla bi revolucionirati skladištenje i proizvodnju energije: „Ove nanostrukture su vrlo lagane, mehanički stabilne, a istovremeno ogromne u veličine, to jest, možemo ih koristiti u raznim aplikacijama elektrokemijskog tipa."
Ovo uključuje izuzetno efikasne elektrode za baterije i gorivne ćelije, oni su željeni cilj autonomnih izvora napajanja, prenosivih i prenosivih elektrana, kao i pravi napredak u tehnologiji solarnih ćelija.
"Fotonski kristali se takođe mogu imenovati u tom smislu", rekao je Greer. "Ove strukture vam omogućuju da manipulirate svjetlošću na takav način da je možete potpuno uhvatiti, što znači da možete napraviti mnogo efikasnije solarne ćelije - hvatate svu svjetlost i nemate gubitak refleksa."
"Sve ovo sugerira da nam kombinacija efekta veličine u nanomaterijalima i strukturnim elementima omogućuje stvaranje novih klasa materijala sa svojstvima koja nisu dostižna", rekao je profesor Greer iz Europske organizacije za nuklearna istraživanja u Švicarskoj. "Najveći izazov s kojim se suočavamo je kako povećati i preći s nano na veličinu našeg svijeta."
Industrijska prozirna keramička zaštita
IBD Deisenroth Engineering razvio je prozirni keramički oklop s balističkim performansama usporediv s neprozirnim keramičkim oklopom. Ovaj novi prozirni oklop je oko 70% lakši od blindiranog stakla i može se sastaviti u strukture sa istim karakteristikama više udara (sposobnost da izdrži više udaraca) kao neprozirni oklop. To omogućuje ne samo dramatično smanjenje mase vozila s velikim prozorima, već i zatvaranje svih balističkih praznina.
Za postizanje zaštite u skladu sa STANAG 4569 nivoom 3, neprobojno staklo ima površinsku gustoću od približno 200 kg / m2. Sa tipičnom prozorskom površinom kamiona od tri kvadratna metra, masa neprobojnih stakala bit će 600 kg. Prilikom zamjene takvih neprobojnih čaša IBD keramikom, smanjenje težine bit će više od 400 kg. Prozirna keramika iz IBD -a daljnji je razvoj IBD NANOTech keramike. IBD je uspio razviti posebne postupke lijepljenja koji se koriste za sastavljanje keramičkih pločica ("prozirni oklop od mozaika"), a zatim te slojeve laminiraju u jake strukturne slojeve kako bi formirali velike prozorske ploče. Zbog izuzetnih karakteristika ovog keramičkog materijala, moguće je proizvesti prozirne oklopne ploče sa znatno manjom težinom. Podloga, u kombinaciji s laminatom od prirodnih NANO-vlakana, dodatno poboljšava balističke performanse nove prozirne zaštite zbog veće apsorpcije energije.
Izraelska kompanija OSG (Oran Safety Glass), reagirajući na povećanje nivoa nestabilnosti i napetosti u cijelom svijetu, razvila je široku paletu proizvoda od neprobojnog stakla. Posebno su dizajnirani za odbrambeni i civilni sektor, vojsku, paravojne formacije, civilna zanimanja visokog rizika, građevinsku i automobilsku industriju. Kompanija na tržištu promovira sljedeće tehnologije: transparentna rješenja za zaštitu, rješenja za balističku zaštitu, dodatni napredni prozirni oklopni sistemi, digitalni vizuelni prozori, prozori za izlaz u slučaju opasnosti, keramički prozori sa tehnologijom prikaza u boji, integrisani sistemi indikatorskih svjetala, stakleni štitovi otporni na udarce, i, konačno, ADI tehnologija protiv drobljenja.
Prozirni materijali OSG -a stalno se testiraju u stvarnim životnim situacijama: odbijanje fizičkih i balističkih napada, spašavanje života i zaštita imovine. Svi oklopni prozirni materijali stvoreni su u skladu s glavnim međunarodnim standardima.
