Vojna vozila tradicionalno su izrađena od teškog, skupog, ali oklopnog čelika velike čvrstoće. Suvremeni 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 polovice. Razmotrimo suvremene 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 naširoko koristi za izradu obloga za motore, sastavnih dijelova raketa, reznih rubova alata, posebnih prozirnih i neprozirni štitovi, koji su, naravno, među prioritetnim područjima za razvoj vojnih sustava. Međutim, u budućnosti bi se opseg njegove primjene trebao značajno proširiti, budući da se u okviru istraživanja i razvoja provedenih u mnogim zemljama svijeta traže novi načini povećanja plastičnosti, otpornosti na pukotine i druga poželjna mehanička svojstva 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 dobivanje izdržljivih i lakih, otpornih na pregrijavanje, kemijski otpornih i istodobno gotovo neuništivih materijala. Ova se kombinacija svojstava danas 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 pojačavanje, koje je čestice ili vlakna drugog materijala. Vlakna mogu biti kontinuirana ili diskretna, nasumično orijentirana, položena pod preciznim kutovima, isprepletena na poseban način radi postizanja povećane čvrstoće i krutosti u zadanim smjerovima ili ravnomjerno raspoređena u svim smjerovima. Međutim, bez obzira na kombinaciju materijala ili orijentaciju vlakana, veza između matrice i komponente za pojačanje 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 materijal odolijeva 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 veljači 2015. GE Aviation najavila je uspješna ispitivanja onoga što naziva "prvim na svijetu nestatičnim CMC kompletom za zrakoplovni motor", iako tvrtka nije otkrila materijale koji se koriste za matricu i materijal za ojačanje. Govorimo o lopaticama turbine niskog tlaka u eksperimentalnom modelu turboventilatorskog motora F414, čiji je razvoj namijenjen pružanju daljnje potvrde usklađenosti materijala s deklariranim zahtjevima za rad pri visokim udarnim opterećenjima. Ova je aktivnost dio Demonstratorskog programa za prilagodbu prilagodljivog motora nove generacije (AETD) nove generacije, koji demonstrira samo-adaptivni program motora, u kojem GE surađuje s američkim istraživačkim laboratorijem zračnih snaga. Cilj programa AETD je pružiti ključne tehnologije koje bi se mogle implementirati u motore lovaca šeste generacije, a počevši od sredine 2020-ih, u motore aviona pete generacije, poput F-35. Prilagodljivi motori moći će podesiti omjer porasta tlaka i zaobilaženja u letu kako bi postigli najveći potisak tijekom polijetanja i u borbi ili maksimalnu učinkovitost goriva u načinu krstarenja.
Tvrtka naglašava da uvođenje rotirajućih dijelova izrađenih od CMC -a u "najtoplije i najteže opterećene" dijelove mlaznog motora predstavlja značajan napredak, budući da je prethodno tehnologija dopuštala upotrebu CMC -a samo za proizvodnju stacionarnih dijelova, na primjer, poklopac turbine pod visokim tlakom. Tijekom ispitivanja, lopatice turbine KMKM u motoru F414 prošle su 500 ciklusa - od praznog hoda do potiska pri polijetanju i natrag.
Lopatice turbine puno su lakše od konvencionalnih lopatica legure nikla, što je omogućilo da metalni diskovi na koje su pričvršćeni budu manji i lakši, priopćila je tvrtka.
“Prelazak s legura nikla na rotirajuću keramiku unutar motora je zaista veliki skok naprijed. Ali to je čista mehanika”, rekao je Jonathan Blank, voditelj 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 raspon leta za više od 30% i povećati maksimalni potisak za 10% u usporedbi s najnaprednijim lovcima 5. generacije. "Jedan od najvećih izazova pri prelasku sa statičkih CMC komponenata na rotirajuće komponente je polje naprezanja u kojem moraju djelovati", rekao je Dan McCormick, voditelj programa naprednih borbenih motora u GE Aviation. Istodobno je dodao kako je testiranje motora F414 dalo važne rezultate koji će se koristiti u motoru s prilagodljivim ciklusom. “Lopatica turbine niskotlačnog CMC-a teži tri puta manje od metalne oštrice koju zamjenjuje. Osim toga, u drugom ekonomičnom načinu rada nema potrebe za hlađenjem lopatice CMC-a zrakom. Oštrica će sada biti aerodinamički učinkovitija jer nema potrebe pumpati sav ovaj rashladni zrak kroz nju."
Materijali KMKM -a, u koje tvrtka kaže da je uložila više od milijardu dolara od početka radova na njima početkom 90 -ih, mogu izdržati temperature stotine stupnjeva više od tradicionalnih legura nikla, a odlikuju se ojačanjem od silicijevog karbida vlaknima 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. Doista, neka mehanička svojstva KMKM -a su vrlo skromna. Na primjer, vlačna čvrstoća usporediva je s vlačnom čvrstoćom bakra i jeftinih aluminijskih legura, što nije jako dobro za dijelove koji su podvrgnuti velikim centrifugalnim silama. Osim toga, pokazuju nisko naprezanje pri prekidu, odnosno vrlo se lagano produžuju pri lomu. Međutim, čini se da su ti nedostaci prevladani, a mala težina ovih materijala definitivno je dala važan doprinos pobjedi nove tehnologije.
Modularni oklop s nanokeramikom za tenk LEOPARD 2
Doprinos 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, no mnogi detalji ovog procesa pažljivo su skriveni. Morgan Advanced Materials dobro je poznat na tom području, objavivši nagradu na konferenciji Armored Vehicles XV u Londonu prošle godine za svoju obrambenu tehnologiju SAMAS. Prema Morganu, SAMAS-ova zaštita koja se široko koristi na vozilima britanske vojske je kompozitni materijal ojačan materijalima poput stakla S-2, E-stakla, aramida i polietilena, zatim oblikovan u listove i stvrdnut pod visokim pritiskom: „Vlakna se mogu kombinirati s hibridnim keramičko-metalnim materijalima kako bi zadovoljili posebne zahtjeve dizajna i performansi."
Prema Morganu, oklop SAMAS ukupne debljine 25 mm, koji se koristi za izradu 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 istraživačkom laboratoriju američke mornarice, razvoj i proizvodnja prozirnih materijala na bazi magnezijevog aluminijevog oksida (MgAI2O4), također zajednički poznati kao umjetni spineli, 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, skupina znanstvenika iz ovog laboratorija izumila je novi postupak za sinterovanje na niskim temperaturama u vakuumu, koji vam omogućuje da dobijete dijelove s dimenzijama ograničenim samo veličinom preše. Ovo je veliki napredak u usporedbi s prethodnim proizvodnim procesima, koji su započeli procesom taljenja izvornog praha u loncu za taljenje.
Jedna od tajni novog procesa je ravnomjerna raspodjela aditiva za sinteriranje litij fluorida (LiF) koji topi i podmazuje zrna špinela tako da se mogu ravnomjerno rasporediti tijekom sinteriranja. Umjesto suhog miješanja litijevog fluorida i spinelnog praha, laboratorij je razvio metodu za jednoliko premazivanje čestica spinela litijevim fluoridom. To vam omogućuje značajno smanjenje potrošnje LiF-a i povećanje propusnosti svjetla do 99% teoretske vrijednosti u vidljivom i srednjem infracrvenom području spektra (0,4-5 mikrona).
Novi postupak, koji omogućuje proizvodnju optike u različitim oblicima, uključujući listove koji udobno pristaju uz krila aviona ili drona, licencirana je od neimenovane tvrtke. Moguće primjene za spinel uključuju oklopno staklo mase manje od polovine mase postojećeg stakla, zaštitne maske za vojnike, optiku za lasere sljedeće generacije i multispektralna senzorska stakla. Pri masovnoj proizvodnji, na primjer, naočala otpornih na pucanje za pametne telefone i tablete, troškovi proizvoda od spinela značajno će se smanjiti.
PERLUCOR - nova prekretnica u sustavima zaštite od metka i trošenja
CeramTec-ETEC je prije nekoliko godina razvio PERLUCOR prozirnu keramiku s dobrim izgledima za obranu i civilnu primjenu. Izvrsna fizikalna, 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 je 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 iznimno visoku kemijsku otpornost, što mu omogućuje upotrebu s koncentriranim kiselinama i lužinama. PERLUCOR ima visok indeks loma (1, 72), što omogućuje izradu optičkih objektiva i optičkih elemenata minijaturnih dimenzija, odnosno dobivanje uređaja sa snažnim povećanjem, što se ne može postići polimerima ili staklom. PERLUCOR keramičke pločice imaju standardnu veličinu 90x90 mm; međutim, CeramTec-ETEC razvio je tehnologiju za proizvodnju složenih listova temeljenu 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 sustava transparentne zaštite za obrambeno tržište napreduje velikom brzinom. Značajan doprinos ovom procesu daje prozirna keramika tvrtke SegamTes, koja je dio zaštitnih sustava mnogih proizvođača. Kada se testira u skladu sa STANAG 4569 ili APSD, smanjenje težine je za 30-60 posto.
Posljednjih godina oblikovao se još jedan smjer u razvoju tehnologija koje je razvio SegatTes-ETEC. Prozori vozila, osobito u stjenovitim 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. Tijekom neprijateljstava vozila s oštećenim staklom izložena su ozbiljnim i nepredvidivim rizicima. SegamTes-ETEC razvio je doista inovativno i originalno rješenje za zaštitu stakla od ove vrste habanja. Tanak sloj (<1 mm) keramičkog premaza PERLUCOR na površini vjetrobranskog stakla pomaže uspješno odoljeti takvim oštećenjima. Ova je zaštita prikladna i za optičke instrumente poput teleskopa, leća, infracrvene opreme i drugih senzora. Ravne i zakrivljene leće izrađene od PERLUCOR prozirne keramike produljuju vijek trajanja ove iznimno vrijedne i osjetljive optičke opreme.
CeramTec-ETEC uspješno je predstavio neprobojnu staklenu ploču vrata i zaštitnu ploču otpornu na ogrebotine i kamen na sajmu DSEI 2015 u Londonu.
Izdržljiva i fleksibilna nanokeramika
Fleksibilnost i otpornost nisu kvalitete svojstvene keramici, ali tim znanstvenika predvođen profesoricom znanosti o materijalima i mehanikom Julijom Greer s Kalifornijskog tehnološkog instituta pozabavio se problemom. Znanstvenici opisuju novi materijal kao "čvrste, lagane, regenerirajuće trodimenzionalne keramičke nano rešetke". Međutim, ovo je isto ime za članak koji su Greer i njezini studenti objavili u znanstvenom časopisu prije nekoliko godina.
Ono što se ispod skriva najbolje ilustrira kocka nano -rešetki aluminijevog oksida veličine nekoliko desetaka mikrona, snimljena elektronskim mikroskopom. Pod djelovanjem opterećenja, skuplja se za 85%, a kad se ukloni, vraća se u prvobitnu veličinu. Pokusi su također provedeni s rešetkama koje se sastoje od cijevi različite debljine, pri čemu su najtanje cijevi 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 te male strukture pokretanjem procesa sličnog 3D ispisu. Svaki proces započinje CAD datotekom koja pokreće dva lasera koji "boje" strukturu u tri dimenzije, stvrdnjavajući polimer na mjestima gdje se zrake međusobno pojačavaju u fazi. Nestvrdnuti polimer istječe iz očvrsnute rešetke, koja sada postaje podloga i tvori konačnu strukturu. 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 većinom 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 zrakoplov, 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 staviti (bez zraka) na ljudski dlan.
Baš kao što su ogromne strukturne prednosti ovih žilavih, lakih i toplinski otpornih materijala pogodne za bezbroj vojnih primjena, njihova unaprijed određena električna svojstva mogla bi revolucionirati skladištenje i proizvodnju energije: „Ove nanostrukture su vrlo lagane, mehanički stabilne i istodobno ogromne veličine. to jest, možemo koristiti u raznim primjenama elektrokemijskog tipa."
To uključuje iznimno učinkovite elektrode za baterije i gorivne ćelije, oni su željeni cilj autonomnih izvora napajanja, prijenosnih i prijenosnih elektrana, kao i pravi napredak u tehnologiji solarnih ćelija.
"Fotonski kristali se također mogu imenovati u tom smislu", rekao je Greer. "Ove strukture omogućuju vam da manipulirate svjetlom na takav način da ga možete potpuno uhvatiti, što znači da možete napraviti mnogo učinkovitije solarne ćelije - hvatate svu svjetlost i nemate gubitak refleksije."
"Sve to sugerira da nam kombinacija učinka 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 razvilo je prozirni keramički oklop s balističkim svojstvima usporedivim 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 izdržati 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 razinom 3, neprobojno staklo ima površinsku gustoću od približno 200 kg / m2. S tipičnom prozorskom površinom kamiona od tri četvorna metra, masa neprobojnih stakala bit će 600 kg. Prilikom zamjene takvih neprobojnih naočala s 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 laminirati u čvrste strukturne slojeve kako bi oblikovali velike prozorske ploče. Zbog izuzetnih karakteristika ovog keramičkog materijala, moguće je proizvesti prozirne oklopne ploče sa znatno manjom težinom. Podloga u kombinaciji s laminatom Natural NANO-Fiber dodatno poboljšava balističke performanse nove prozirne zaštite zbog veće apsorpcije energije.
Izraelska tvrtka OSG (Oran Safety Glass), reagirajući na sve veću razinu nestabilnosti i napetosti u svijetu, razvila je široku paletu proizvoda od neprobojnog stakla. Posebno su dizajnirani za obrambeni i civilni sektor, vojsku, paravojsku, civilna zanimanja visokog rizika, građevinsku i automobilsku industriju. Tvrtka na tržište promovira sljedeće tehnologije: transparentna rješenja za zaštitu, rješenja za balističku zaštitu, dodatni napredni prozirni oklopni sustavi, digitalni vizualni prozori, prozori za izlaz u slučaju opasnosti, keramički prozori s tehnologijom prikaza u boji, integrirani sustavi svjetlosnih 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.
