Militêre voertuie is tradisioneel gemaak van swaar, duur, maar hoë sterkte pantserstaal. Moderne keramiek saamgestelde materiale word toenemend gebruik as nie-draende beskerming vir gevegsvoertuie. Die belangrikste voordele van sulke materiale is aansienlik laer koste, verbeterde beskerming en gewigsverlies met meer as die helfte. Beskou die moderne basiese keramiekmateriaal wat vandag vir ballistiese beskerming gebruik word
Vanweë sy vermoë om baie hoë temperature te weerstaan, aansienlik hoër as dié van metale, hardheid, die hoogste spesifieke sterkte en spesifieke styfheid, word keramiek wyd gebruik vir die vervaardiging van voerings vir enjins, vuurpylkomponente, snykante van gereedskap, spesiale deursigtige en ondeursigtige skilde, wat natuurlik een van die prioriteitsgebiede vir die ontwikkeling van militêre stelsels is. In die toekoms moet die omvang van die toepassing egter aansienlik uitgebrei word, aangesien binne die raamwerk van navorsing en ontwikkeling wat in baie lande ter wêreld uitgevoer word, gesoek word na nuwe maniere om plastisiteit, skeurweerstand en ander gewenste meganiese eienskappe te verhoog kombinasie van 'n keramiekbasis met versterkingsvesels in die sogenaamde keramiekmatriks. saamgestelde materiale (KMKM). Nuwe vervaardigingstegnologieë sal ook voorsiening maak vir die massaproduksie van baie duursame, hoë kwaliteit deursigtige produkte van komplekse vorms en groot groottes uit materiale wat sigbare en infrarooi golwe oordra. Boonop sal die skepping van nuwe strukture met behulp van nanotegnologie dit moontlik maak om duursame en liggewig, oorverhittebestand, chemies weerstandige en terselfdertyd feitlik onvernietigbare materiale te verkry. Hierdie kombinasie van eiendomme word vandag as onderling uitsluitend beskou en is dus baie aantreklik vir militêre toepassings.
Keramiek-matriks saamgestelde materiale (KMKM)
Soos hul polimeer -analoë, bestaan CMC's uit 'n basiese stof, 'n matriks genoem, en 'n versterkende vulstof, wat deeltjies of vesels van 'n ander materiaal is. Vesels kan deurlopend of diskreet wees, ewekansig georiënteerd, op presiese hoeke gelê word, op 'n spesiale manier verweef wees om verhoogde sterkte en styfheid in gegewe rigtings te verkry, of eweredig in alle rigtings versprei. Ongeag die kombinasie van materiale of veselinrigting, is die binding tussen die matriks en die versterkende komponent van kritieke belang vir die eienskappe van die materiaal. Aangesien polimere minder styf is as die materiaal wat hulle versterk, is die binding tussen die matriks en die vesels gewoonlik sterk genoeg om die materiaal in staat te stel om buigings as 'n geheel te weerstaan. In die geval van CMCM kan die matriks egter stywer wees as die versterkingsvesels, sodat die bindingskrag, op soortgelyke wyse geoptimaliseer om die vesel en matriks effens te laat lokokaliseer, byvoorbeeld help om impaksenergie te absorbeer en die ontwikkeling van krake te voorkom. wat andersins tot bros vernietiging en skeuring sou lei. Dit maak CMCM baie meer viskeus in vergelyking met suiwer keramiek, en dit is die belangrikste van die eienskappe van hoogs gelaaide bewegende dele, byvoorbeeld dele van straalmotors.
Ligte en warm turbine lemme
In Februarie 2015 kondig GE Aviation suksesvolle proewe aan van wat dit 'die wêreld se eerste nie-statiese CMC-stel vir 'n vliegtuigmotor' noem, hoewel die maatskappy nie die materiaal bekend gemaak het wat vir die matriks en versterkingsmateriaal gebruik is nie. Ons praat oor lae-druk turbine lemme in 'n eksperimentele model van die F414 turbofan-enjin, waarvan die ontwikkeling bedoel is om 'n verdere bevestiging te gee van die nakoming van die materiaal aan die verklaarde vereistes vir werking by hoë skokvragte. Hierdie aktiwiteit is deel van die Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) Next Generation Self-Adaptive Engine Demonstration Program, waarin GE saamwerk met die US Air Force Research Laboratory. Die doel van die AETD-program is om sleuteltegnologieë te voorsien wat geïmplementeer kan word in enjins van jagters van die sesde generasie en vanaf die middel van die 2020's in enjins van vyfde generasie vliegtuie, soos die F-35. Aanpasbare enjins sal hul drukverhoging en omseilverhouding tydens vlug kan aanpas om maksimum stootkrag tydens opstyg en in gevegte te verkry, of maksimum brandstofdoeltreffendheid in die vlugmodus.
Die onderneming beklemtoon dat die bekendstelling van roterende onderdele van CMC in die "warmste en swaarste gelaaide" dele van 'n straalmotor 'n aansienlike deurbraak verteenwoordig, aangesien die tegnologie voorheen slegs toegelaat was om CMC te gebruik vir die vervaardiging van stilstaande onderdele, byvoorbeeld 'n hoë druk turbine omhulsel. Tydens die toetse het die KMKM -turbine -lemme in die F414 -enjin 500 siklusse deurgegaan - van ledige snelheid tot stygkrag en terug.
Die turbine lemme is baie ligter as konvensionele lemmes van nikkellegering, waardeur die metaalskyfies waarop hulle geheg is, kleiner en ligter kon wees, het die maatskappy gesê.
'Die verskuiwing van nikkellegerings na roterende keramiek binne -in die enjin is 'n baie groot sprong vorentoe. Maar dit is pure meganika,”sê Jonathan Blank, hoof van CMC en polimeerbinders by GE Aviation. - Ligter lemme skep minder sentrifugale krag. Dit beteken dat u die skyf, laers en ander dele kan krimp. KMKM het dit moontlik gemaak om revolusionêre veranderinge in die ontwerp van 'n straalmotor aan te bring."
Die doel van die AETD -program is om die spesifieke brandstofverbruik met 25% te verminder, die vlugreeks met meer as 30% te vergroot en die maksimum stootkrag met 10% te verhoog in vergelyking met die mees gevorderde 5de generasie vegters. "Een van die grootste uitdagings om van statiese CMC -komponente na roterende komponente oor te skakel, is die spanningsveld waarin hulle moet werk," sê Dan McCormick, programbestuurder van Advanced Combat Engine by GE Aviation. Terselfdertyd het hy bygevoeg dat die toets van die F414 -enjin belangrike resultate lewer wat in die aanpasbare siklusmotor gebruik sal word. '' N Lae-druk CMC-turbinelem weeg drie keer minder as die metaalblad wat dit vervang, en in die tweede ekonomiese modus is dit ook nie nodig om die CMC-lem met lug af te koel nie. Die lem sal nou meer aërodinamies doeltreffender wees, aangesien dit nie nodig is om al die koel lug daardeur te pomp nie."
KMKM -materiale, waarin die onderneming sê dat dit meer as 'n miljard dollar belê het sedert dit in die vroeë 90's daaraan begin werk het, kan temperature honderde grade hoër as tradisionele nikkellegerings weerstaan en word onderskei deur silikon -hardmetaalveselversterking in 'n keramiekmatriks., wat sy slagsterkte en skeurweerstand verhoog.
Dit lyk asof GE redelik harde werk aan hierdie turbine lemme gedoen het. Sommige van die meganiese eienskappe van KMKM is inderdaad baie beskeie. Die treksterkte is byvoorbeeld vergelykbaar met die treksterkte van koper en goedkoop aluminiumlegerings, wat nie baie goed is vir dele wat aan groot sentrifugale kragte blootgestel word nie. Boonop vertoon hulle 'n lae spanning tydens breek, dit wil sê, hulle breek effens verleng tydens breek. Dit lyk egter asof hierdie tekortkominge oorkom is, en die lae gewig van hierdie materiale het beslis 'n belangrike bydrae gelewer tot die oorwinning van die nuwe tegnologie.
Modulêre wapenrusting met nanokeramika vir die LEOPARD 2 -tenk
Saamgestelde pantserbydrae
Alhoewel beskermingstegnologieë, wat 'n kombinasie van metaallae, veselversterkte polimeerkomposiete en keramiek is, goed gevestig is, ontwikkel die bedryf steeds meer komplekse saamgestelde materiale, maar baie van die besonderhede van hierdie proses word versigtig weggesteek. Morgan Advanced Materials is bekend in die veld en kondig verlede jaar 'n toekenning aan op die Armored Vehicles XV -konferensie in Londen vir sy SAMAS -verdedigingstegnologie. Volgens Morgan is die SAMAS-beskerming wat wyd op voertuie van die Britse weermag gebruik word, 'n saamgestelde materiaal versterk met materiale soos S-2 Glass, E-Glass, aramid en poliëtileen, wat dan in velle gevorm word en onder hoë druk genees word: 'Vesels kan gekombineer word met hibriede keramiek-metaalmateriaal om aan spesiale ontwerp- en prestasievereistes te voldoen."
Volgens Morgan kan SAMAS pantsers met 'n totale dikte van 25 mm, wat gebruik word vir die vervaardiging van beskermende kapsules van die bemanning, die gewig van ligbeskermde voertuie met meer as 1000 kg verminder in vergelyking met voertuie met 'n staalkapsel. Ander voordele sluit in makliker herstelwerk met minder as 5 mm dikker diktes en die inherente eienskappe van hierdie materiaal.
Eksplisiete spinel vordering
Volgens die US Navy Research Laboratory floreer die ontwikkeling en vervaardiging van deursigtige materiale gebaseer op magnesiumaluminiumoksied (MgAI2O4), ook gesamentlik bekend as kunsmatige spinels. Spinels is lankal nie net bekend vir hul sterkte nie - 0,25 "dik spinel het dieselfde ballistiese eienskappe as 2,5" koeëlvaste glas - maar ook die moeilikheid om groot dele met eenvormige deursigtigheid te maak. 'N Groep wetenskaplikes van hierdie laboratorium het egter 'n nuwe proses vir sintering van lae temperatuur in 'n vakuum uitgevind, waarmee u dele met afmetings kan kry wat slegs deur die perspers beperk word. Dit is 'n groot deurbraak in vergelyking met vorige vervaardigingsprosesse, wat begin het met die smelt van die oorspronklike poeier in 'n smeltkroes.
Een van die geheime van die nuwe proses is die eenvormige verspreiding van die litiumfluoried (LiF) sinteringsadditief, wat die spinelkorrels smelt en smeer sodat dit eweredig versprei kan word tydens sintering. In plaas van droë vermenging van litiumfluoried en spinelpoeiers, het die laboratorium 'n metode ontwikkel om die spineldeeltjies eenvormig met litiumfluoried te bedek. Hiermee kan u die verbruik van LiF aansienlik verminder en die ligoordrag verhoog tot 99% van die teoretiese waarde in die sigbare en middel-infrarooi streke van die spektrum (0,4-5 mikron).
Die nuwe proses, wat die vervaardiging van optika in verskillende vorme moontlik maak, insluitend lakens wat gemaklik by die vlerke van 'n vliegtuig of hommeltuig pas, is deur 'n naamlose onderneming gelisensieer. Moontlike toepassings vir spinel sluit in pantserglas wat minder as die helfte van die massa van die bestaande glas weeg, beskermende maskers vir soldate, optika vir lasers van die volgende generasie en multispektrale sensorbrille. By massaproduksie, byvoorbeeld, kraakbestande glase vir slimfone en tablette, sal die koste van spinelprodukte aansienlik daal.
PERLUCOR - 'n nuwe mylpaal in stelsels vir beskerming teen koeëls en dra
CeramTec-ETEC het 'n paar jaar gelede PERLUCOR deursigtige keramiek ontwikkel met goeie vooruitsigte vir sowel verdedigings- as burgerlike toepassings. Die uitstekende fisiese, chemiese en meganiese eienskappe van PERLUCOR was die belangrikste redes vir die suksesvolle toetrede tot die mark.
PERLUCOR het 'n relatiewe deursigtigheid van meer as 90%, is drie tot vier keer sterker en harder as gewone glas; die hittebestandheid van hierdie materiaal is ongeveer drie keer hoër, wat dit toelaat om by temperature tot 1600 ° C te gebruik, dit kan ook het 'n uiters hoë chemiese weerstand, wat dit moontlik maak om dit te gebruik met gekonsentreerde sure en alkalies. PERLUCOR het 'n hoë brekingsindeks (1, 72), wat dit moontlik maak om optiese doelwitte en optiese elemente van miniatuurafmetings te vervaardig, dit wil sê om toestelle met 'n kragtige vergroting te verkry, wat nie met polimere of glas bereik kan word nie. PERLUCOR keramiekteëls het 'n standaardgrootte van 90x90 mm; CeramTec-ETEC het egter 'n tegnologie ontwikkel vir die vervaardiging van kompleksvormige velle, gebaseer op hierdie formaat volgens die spesifikasies van die kliënt. Die dikte van die panele kan in spesiale gevalle tiendes van 'n millimeter wees, maar dit is gewoonlik 2-10 mm.
Die ontwikkeling van ligter en dunner stelsels van deursigtige beskerming vir die verdedigingsmark vorder vinnig. Die deursigtige keramiek van die SegamTes -onderneming, wat deel uitmaak van die beskermingstelsels van baie vervaardigers, lewer 'n belangrike bydrae tot hierdie proses. As dit volgens STANAG 4569 of APSD getoets word, is die gewigsvermindering in die orde van 30-60 persent.
In onlangse jare het 'n ander rigting in die ontwikkeling van tegnologieë ontwikkel deur SegatTes-ETEC gestalte gekry. Voertuigvensters, veral in rotsagtige en woestyngebiede soos Afghanistan, is geneig tot klipstoot en skrape as gevolg van die beweging van ruitveërs op 'n sanderige, stowwerige voorruit. Die ballistiese kenmerke van koeëlvaste glase wat deur klipaanvalle beskadig is, word ook verminder. Tydens vyandighede word voertuie met beskadigde glas aan ernstige en onvoorspelbare risiko's blootgestel. SegamTes-ETEC het 'n werklik innoverende en oorspronklike oplossing ontwikkel om glas teen hierdie tipe slytasie te beskerm. 'N Dun laag (<1 mm) PERLUCOR -keramieklaag op die voorruitoppervlak help om sulke skade suksesvol te weerstaan. Hierdie beskerming is ook geskik vir optiese instrumente soos teleskope, lense, infrarooi toerusting en ander sensors. Die plat sowel as geboë lense van PERLUCOR helder keramiek verleng die lewensduur van hierdie uiters waardevolle en sensitiewe optiese toerusting.
CeramTec-ETEC het met sukses 'n koeëlvaste glasdeurpaneel en 'n kras- en klipbestande paneel op die DSEI 2015 in Londen aangebied.
Duursame en buigsame nanokeramika
Buigbaarheid en veerkragtigheid is nie eienskappe wat inherent is aan keramiek nie, maar 'n span wetenskaplikes onder leiding van professor in materiaalwetenskap en meganika Julia Greer van die California Institute of Technology het die probleem aangepak. Die navorsers beskryf die nuwe materiaal as "taai, liggewig, regenereerbare driedimensionele keramiek-nanolroosters." Dit is egter dieselfde naam vir 'n artikel wat Greer en haar studente 'n paar jaar gelede in 'n wetenskaplike tydskrif gepubliseer het.
Wat daaronder weggesteek word, word die beste geïllustreer deur 'n kubus aluminium -oksied -nanoloppers wat 'n paar tientalle mikron groot is, geneem met 'n elektronmikroskoop. Onder die las van die vrag krimp dit met 85% en word dit na die oorspronklike grootte herstel. Eksperimente is ook uitgevoer met roosters wat bestaan uit buise van verskillende diktes, met die dunste buise wat die sterkste en elastiesste is. Met 'n buisdikte van 50 nanometer het die rooster ineengestort en met 'n wanddikte van 10 nanometer het dit teruggekeer na sy oorspronklike toestand - 'n voorbeeld van hoe die grootte -effek die sterkte van sommige materiale verhoog. Die teorie verklaar dit deur die feit dat met 'n afname in grootte, die aantal defekte in grootmaatmateriaal proporsioneel afneem. Met hierdie argitektuur van die rooster van hol buise, is 99,9% van die volume van die kubus lug.
Die span van professor Greer skep hierdie klein strukture deur 'n proses soortgelyk aan 3D -drukwerk uit te voer. Elke proses begin met 'n CAD -lêer wat twee lasers dryf wat die struktuur in drie dimensies "verf", wat die polimeer genees op punte waar die balke mekaar in fase versterk. Die ongeharde polimeer vloei uit die verharde rooster, wat nou die substraat word om die finale struktuur te vorm. Die navorsers pas die aluminiumoksied dan op die substraat toe met 'n metode wat die dikte van die laag akkuraat beheer. Uiteindelik word die ente van die rooster gesny om die polimeer te verwyder, wat slegs die kristalrooster van hol aluminiumoksiedbuise agterlaat.
Sterkte van staal, maar weeg soos lug
Die potensiaal van sulke 'vervaardigde' materiale, wat meestal in volume is, maar des te minder sterk is as staal, is enorm, maar moeilik om te begryp, daarom gee professor Greer verskeie treffende voorbeelde. Die eerste voorbeeld, ballonne waaruit helium uitgepomp word, maar terselfdertyd hul vorm behou. Die tweede, toekomstige vliegtuig, waarvan die ontwerp soveel weeg as die handmatige model. Die verrassendste is dat as die beroemde Golden Gate -brug uit sulke nanol -rakke gemaak is, al die materiaal wat nodig is vir die konstruksie daarvan (lug uitgesluit) op 'n menslike palm geplaas kan word.
Net soos die enorme strukturele voordele van hierdie taai, liggewig en hittebestande materiaal wat geskik is vir talle militêre toepassings, kan hul voorafbepaalde elektriese eienskappe 'n omwenteling in energieopberging en opwekking maak: 'Hierdie nanostrukture is baie liggewig, meganies stabiel en terselfdertyd groot in oppervlaktes, dit wil sê, ons kan dit in 'n verskeidenheid toepassings van die elektrochemiese tipe gebruik."
Dit sluit uiters doeltreffende elektrodes vir batterye en brandstofselle in; dit is 'n gekoesterde doelwit vir outonome kragbronne, draagbare en vervoerbare kragsentrales, sowel as 'n ware deurbraak in sonkragtegnologie.
'In hierdie verband kan ook fotoniese kristalle genoem word,' het Greer gesê. "Met hierdie strukture kan u lig so manipuleer dat u dit heeltemal kan vasvang, wat beteken dat u baie meer doeltreffende sonselle kan maak - u vang al die lig op en het geen refleksieverlies nie."
"Dit alles dui daarop dat die kombinasie van die grootte -effek in nanomateriaal en strukturele elemente ons in staat stel om nuwe klasse materiale te skep met eienskappe wat nie haalbaar was nie," het professor Greer van die Europese Organisasie vir Kernnavorsing in Switserland gesê. "Die grootste uitdaging wat ons in die gesig staar, is hoe om op te skaal en van nano na die grootte van ons wêreld te beweeg."
Industriële deursigtige keramiekbeskerming
IBD Deisenroth Engineering het 'n deursigtige keramiek pantser ontwikkel met ballistiese prestasie wat vergelykbaar is met ondeursigtige keramiek pantsers. Hierdie nuwe deursigtige wapenrusting is ongeveer 70% ligter as pantserglas en kan saamgestel word in strukture met dieselfde multi-impak-eienskappe (die vermoë om veelvuldige treffers te weerstaan) as ondeursigtige pantser. Dit laat nie net die massa voertuie met groot vensters dramaties toe nie, maar ook alle ballistiese gapings.
Om beskerming te verkry volgens STANAG 4569 Level 3, het die koeëlvaste glas 'n oppervlaktedigtheid van ongeveer 200 kg / m2. Met 'n tipiese vensteroppervlakte van 'n vragmotor van drie vierkante meter, is die massa van die koeëlvaste glase 600 kg. By die vervanging van sulke koeëlvaste glase met IBD -keramiek sal die gewigsvermindering meer as 400 kg wees. Deursigtige keramiek van IBD is 'n verdere ontwikkeling van IBD NANOTech keramiek. IBD het daarin geslaag om spesiale bindingsprosesse te ontwikkel wat gebruik word om keramiekteëls ("mosaïek deursigtige wapenrusting") aanmekaar te sit en dan hierdie samestellings in sterk strukturele lae te lamineer om groot vensterpanele te vorm. As gevolg van die uitstekende eienskappe van hierdie keramiekmateriaal, is dit moontlik om deursigtige pantserpanele met 'n aansienlik laer gewig te vervaardig. Die agterkant, in kombinasie met die natuurlike NANO-vesel laminaat, verhoog die ballistiese prestasie van die nuwe deursigtige beskerming verder as gevolg van die groter energie-opname daarvan.
Die Israeliese onderneming OSG (Oran Safety Glass), wat reageer op toenemende vlakke van onstabiliteit en spanning oor die hele wêreld, het 'n wye reeks koeëlvaste glasprodukte ontwikkel. Hulle is spesifiek ontwerp vir die verdedigings- en burgerlike sektore, die weermag, paramilitaries, hoërisiko-burgerlike beroepe, die konstruksie- en motorbedryf. Die onderneming bevorder die volgende tegnologieë op die mark: deursigtige beskermingsoplossings, ballistiese beskermingsoplossings, bykomende gevorderde deursigtige pantserstelsels, digitale visuele vensters, nooduitgangvensters, keramiekvensters met kleurvertoningstegnologie, geïntegreerde aanwyserligstelsels, skokbestande glasskermstene, en laastens, ADI anti-splinter tegnologie.
OSG -deursigtige materiale word voortdurend getoets in werklike situasies: fisiese en ballistiese aanvalle afweer, lewens red en eiendom beskerm. Alle gepantserde deursigtige materiale is geskep volgens groot internasionale standaarde.
