Militärfordon har traditionellt tillverkats av tungt, dyrt men höghållfast rustningsstål. Moderna keramiska kompositmaterial används alltmer som icke-bärande skydd för stridsfordon. De främsta fördelarna med sådana material är betydligt lägre kostnad, förbättrat skydd och viktminskning med mer än hälften. Tänk på de moderna grundläggande keramiska materialen som används idag för ballistiskt skydd
På grund av sin förmåga att motstå mycket höga temperaturer, betydligt högre än för metaller, hårdhet, den högsta specifika hållfastheten och specifika styvheten, används keramik i stor utsträckning för tillverkning av foder för motorer, raketkomponenter, skärkant på verktyg, speciell transparent och ogenomskinliga sköldar, som naturligtvis hör till de prioriterade områdena för utveckling av militära system. I framtiden bör emellertid tillämpningsområdet omfattande utvidgas, eftersom inom ramen för forskning och utveckling som utförs i många länder i världen söker nya sätt att öka plasticitet, sprickresistens och andra önskvärda mekaniska egenskaper av att kombinera en keramisk bas med armeringsfibrer i den så kallade keramiska matrisen. kompositmaterial (KMKM). Ny tillverkningsteknik kommer också att möjliggöra massproduktion av mycket hållbara, högkvalitativa transparenta produkter av komplexa former och stora storlekar från material som överför synliga och infraröda vågor. Dessutom kommer skapandet av nya strukturer med hjälp av nanoteknik att göra det möjligt att erhålla hållbara och lätta, överhettningsbeständiga, kemiskt resistenta och samtidigt praktiskt taget oförstörbara material. Denna kombination av fastigheter anses idag vara ömsesidigt uteslutande och därmed mycket attraktiv för militära tillämpningar.
Keramisk-matriskompositmaterial (KMKM)
Liksom deras polymeranaloger består CMC: er av en basämne, kallad en matris, och ett förstärkande fyllmedel, som är partiklar eller fibrer av ett annat material. Fibrer kan vara kontinuerliga eller diskreta, slumpmässigt orienterade, lagda i exakta vinklar, sammanflätade på ett speciellt sätt för att få ökad styrka och styvhet i givna riktningar eller jämnt fördelade i alla riktningar. Oavsett kombinationen av material eller fiberorientering är emellertid bindningen mellan matrisen och förstärkningskomponenten kritisk för materialets egenskaper. Eftersom polymerer är mindre styva än materialet som förstärker dem, är bindningen mellan matrisen och fibrerna vanligtvis tillräckligt stark för att materialet ska motstå böjning som helhet. För CMCM kan emellertid matrisen vara styvare än armeringsfibrerna så att bindningskraften, på liknande sätt optimerad för att möjliggöra en liten delokalisering av fibern och matrisen, hjälper till att absorbera slagkraft, till exempel och förhindra utveckling av sprickor som annars skulle leda till spröd förstörelse och splittring. Detta gör CMCM mycket mer viskös i jämförelse med ren keramik, och detta är den viktigaste av egenskaperna hos högt belastade rörliga delar, till exempel delar av jetmotorer.
Lätta och heta turbinblad
I februari 2015 tillkännagav GE Aviation framgångsrika prövningar av vad det kallar "världens första icke-statiska CMC-kit för en flygmotor", även om företaget inte avslöjade materialet som används för matrisen och förstärkningsmaterialet. Vi pratar om lågtrycksturbinblad i en experimentell modell av F414-turbofanmotorn, vars utveckling är avsedd att ge ytterligare bekräftelse på att materialet uppfyller deklarerade kraven för drift vid höga stötbelastningar. Denna aktivitet är en del av Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) Next Generation Self-Adaptive Engine Demonstration Program, där GE samarbetar med US Air Force Research Laboratory. Syftet med AETD-programmet är att tillhandahålla nyckelteknologi som kan implementeras i motorer från sjätte generationens krigare och från mitten av 2020-talet i motorer i femte generationens flygplan, till exempel F-35. Adaptiva motorer kommer att kunna justera deras tryckökning och förbikopplingsförhållande under flygning för att få maximal dragkraft under start och i strid, eller maximal bränsleeffektivitet i kryssningsfartsläge.
Företaget betonar att introduktionen av roterande delar av CMC i de "hetaste och mest belastade" delarna av en jetmotor representerar ett betydande genombrott, eftersom tekniken tidigare tillät användning av CMC endast för tillverkning av stationära delar, till exempel en högtrycksturbinhölje. Under testerna gick KMKM -turbinbladen i F414 -motorn igenom 500 cykler - från tomgångshastighet till startkraft och back.
Turbinbladen är mycket lättare än konventionella nickellegeringsblad, vilket gjorde att metallskivorna som de är fästa på kunde vara mindre och lättare, säger företaget.
”Skiftet från nickellegeringar till roterande keramik inuti motorn är ett riktigt stort steg framåt. Men det är ren mekanik, säger Jonathan Blank, chef för CMC och polymerbindemedel på GE Aviation. - Lättare blad skapar mindre centrifugalkraft. Det betyder att du kan krympa skivor, lager och andra delar. KMKM gjorde det möjligt att göra revolutionerande förändringar i designen av en jetmotor”.
Målet med AETD -programmet är att minska den specifika bränsleförbrukningen med 25%, öka flygsträckan med mer än 30% och öka den maximala dragkraften med 10% jämfört med de mest avancerade femte generationens krigare. "En av de största utmaningarna när det gäller att gå från statiska CMC -komponenter till roterande komponenter är det stressfält där de måste fungera", säger Dan McCormick, Advanced Combat Engine Program Manager på GE Aviation. Samtidigt tillade han att testning av F414 -motorn gav viktiga resultat som kommer att användas i den adaptiva cykelmotorn.”Ett lågtrycks-CMC-turbinblad väger tre gånger mindre än metallbladet som det ersätter. Dessutom är det i det andra ekonomiska läget inte nödvändigt att kyla CMC-bladet med luft. Bladet kommer nu att bli mer aerodynamiskt effektivt eftersom det inte är nödvändigt att pumpa all denna kylluft genom det."
KMKM -material, där företaget säger att det har investerat mer än en miljard dollar sedan det började arbeta med dem i början av 90 -talet, tål temperaturer hundratals grader högre än traditionella nickellegeringar och kännetecknas av kiselkarbidfiberförstärkning i en keramisk matris., vilket ökar dess slaghållfasthet och sprickresistens.
GE verkar ha gjort ganska hårt arbete på dessa turbinblad. Några av de mekaniska egenskaperna hos KMKM är faktiskt mycket blygsamma. Till exempel är draghållfastheten jämförbar med draghållfastheten hos koppar och billiga aluminiumlegeringar, vilket inte är särskilt bra för delar som utsätts för stora centrifugalkrafter. Dessutom uppvisar de en låg belastning vid paus, det vill säga att de förlängs mycket lätt vid paus. Dessa brister tycks emellertid övervinnas, och den låga vikten av dessa material bidrog definitivt till ett viktigt bidrag till den nya teknikens seger.
Modulär rustning med nanoceramik för LEOPARD 2 -tanken
Bidrag i sammansatt rustning
Även om skyddstekniker, som är en kombination av metallskikt, fiberförstärkta polymerkompositer och keramik, är väletablerade, fortsätter industrin att utveckla allt mer komplexa kompositmaterial, men många av detaljerna i denna process är noggrant dolda. Morgan Advanced Materials är välkänt inom området och tilldelade en utmärkelse på Armored Vehicles XV -konferensen i London förra året för sin SAMAS -försvarsteknik. Enligt Morgan är SAMAS-skyddet som används i stor utsträckning på brittiska arméfordon ett kompositmaterial förstärkt med material som S-2-glas, E-glas, aramid och polyeten, som sedan formas till ark och härdas under högt tryck:”Fiber kan kombineras med hybridkeramik-metallmaterial för att möta speciella design- och prestandakrav."
Enligt Morgan kan SAMAS rustning med en total tjocklek på 25 mm, som används för tillverkning av skyddskapslar för besättningen, minska vikten av lättskyddade fordon med mer än 1000 kg jämfört med fordon med en stålkapsel. Andra fördelar inkluderar enklare reparationer med mindre än 5 mm tjockare tjocklekar och materialets inneboende spallfoderegenskaper.
Explicit spinell framsteg
Enligt US Navy Research Laboratory blomstrar utvecklingen och produktionen av transparenta material baserade på magnesiumaluminiumoxid (MgAI2O4), även gemensamt känt som artificiella spineller. Spinlar har länge varit kända inte bara för sin styrka - 0,25 "tjock spinel har samma ballistiska egenskaper som 2,5" skottsäkert glas - utan också svårigheten att göra stora delar med enhetlig genomskinlighet. En grupp forskare från detta laboratorium har emellertid uppfunnit en ny process för sintring vid låg temperatur i ett vakuum, vilket gör att du kan få delar med dimensioner som endast begränsas av pressens storlek. Detta är ett stort genombrott jämfört med tidigare tillverkningsprocesser, som började med att smälta det ursprungliga pulvret i en smältdegel.
En av hemligheterna med den nya processen är den enhetliga fördelningen av litiumfluorid (LiF) sintringsadditiv, som smälter och smörjer spinellkornen så att de kan fördelas jämnt under sintringen. I stället för torrblandning av litiumfluorid och spinellpulver har laboratoriet utvecklat en metod för att enhetligt belägga spinelpartiklarna med litiumfluorid. Detta låter dig avsevärt minska förbrukningen av LiF och öka ljustransmittansen med upp till 99% av det teoretiska värdet i de synliga och mellersta infraröda områdena i spektrumet (0,4-5 mikron).
Den nya processen, som möjliggör produktion av optik i olika former, inklusive ark som passar bekvämt med vingarna på ett flygplan eller en drönare, har licensierats av ett namnlöst företag. Möjliga applikationer för spinel inkluderar pansarglas som väger mindre än halva massan av befintligt glas, skyddsmasker för soldater, optik för nästa generations lasrar och multispektrala sensorglasögon. Vid massproducering av exempelvis sprickresistenta glasögon för smartphones och surfplattor kommer kostnaden för spinellprodukter att minska avsevärt.
PERLUCOR - en ny milstolpe inom bullet- och slitskyddssystem
CeramTec-ETEC utvecklade PERLUCOR transparent keramik för några år sedan med goda förutsättningar för både försvar och civila applikationer. De utmärkta fysikaliska, kemiska och mekaniska egenskaperna hos PERLUCOR var de främsta orsakerna till detta materials framgångsrika inträde på marknaden.
PERLUCOR har en relativ genomskinlighet på över 90%, är tre till fyra gånger starkare och hårdare än vanligt glas, värmebeständigheten för detta material är ungefär tre gånger högre, vilket gör att det kan användas vid temperaturer upp till 1600 ° C, det är också har en extremt hög kemisk resistens, vilket gör det möjligt att använda den med koncentrerade syror och alkalier. PERLUCOR har ett högt brytningsindex (1, 72), vilket gör det möjligt att tillverka optiska objekt och optiska element med miniatyrdimensioner, det vill säga att få enheter med kraftig förstoring, som inte kan uppnås med polymerer eller glas. PERLUCOR keramiska plattor har en standardstorlek på 90x90 mm; CeramTec-ETEC har dock utvecklat en teknik för tillverkning av komplexformade ark baserade på detta format enligt kundspecifikationer. Tjockleken på panelerna kan i speciella fall vara tiondelar av en millimeter, men som regel är den 2-10 mm.
Utvecklingen av lättare och tunnare system med transparent skydd för försvarsmarknaden fortskrider i snabb takt. Ett betydande bidrag till denna process görs genom den transparenta keramiken i SegamTes -företaget, som ingår i många tillverkares skyddssystem. Vid test i enlighet med STANAG 4569 eller APSD är viktminskningen i storleksordningen 30-60 procent.
Under de senaste åren har en annan riktning i utvecklingen av teknik som utvecklats av SegatTes-ETEC tagit form. Fordonsfönster, särskilt i steniga och ökenområden som Afghanistan, utsätts för stenskott och repor från torkarbladens rörelse på en sandig, dammig vindruta. Dessutom minskar de ballistiska egenskaperna hos skottsäkra glasögon som har skadats av stenslag. Under fientligheter utsätts fordon med skadat glas för allvarliga och oförutsägbara risker. SegamTes-ETEC har utvecklat en verkligt innovativ och original lösning för att skydda glas mot denna typ av slitage. Ett tunt lager (<1 mm) av PERLUCOR keramisk beläggning på vindrutans yta hjälper till att motstå sådana skador. Detta skydd är också lämpligt för optiska instrument som teleskop, linser, infraröd utrustning och andra sensorer. De plana och böjda linserna av PERLUCOR klar keramik förlänger livslängden för denna mycket värdefulla och känsliga optiska utrustning.
CeramTec-ETEC presenterade framgångsrikt en skottsäker glasdörrpanel och en rep- och stenbeständig skyddspanel på DSEI 2015 i London.
Slitstark och flexibel nanokeramik
Flexibilitet och motståndskraft är inte egenskaper som är inneboende i keramik, men ett team av forskare under ledning av professor i materialvetenskap och mekanik Julia Greer från California Institute of Technology tog upp problemet. Forskarna beskriver det nya materialet som "tuffa, lätta, regenererbara tredimensionella keramiska nanolattacker." Detta är dock samma namn för en artikel publicerad av Greer och hennes studenter i en vetenskaplig tidskrift för ett par år sedan.
Det som är dolt nedanför illustreras bäst av en kub av aluminiumoxid -nanol som lockar flera tiotals mikron i storlek, taget med ett elektronmikroskop. Under belastningens inverkan krymper den med 85% och, när den tas bort, återställs den till sin ursprungliga storlek. Experiment utfördes också med galler bestående av rör med olika tjocklek, där de tunnaste rören var de starkaste och mest elastiska. Med en rörväggstjocklek på 50 nanometer kollapsade gallret och med en väggtjocklek på 10 nanometer återgick det till sitt ursprungliga tillstånd - ett exempel på hur storlekseffekten ökar styrkan hos vissa material. Teorin förklarar detta med det faktum att med en minskning i storlek minskar antalet defekter i bulkmaterial proportionellt. Med denna arkitektur av hålrörens gitter är 99,9% av kubens volym luft.
Professor Greers team skapar dessa små strukturer genom att köra en process som liknar 3D -utskrift. Varje process börjar med en CAD -fil som driver två lasrar som "målar" strukturen i tre dimensioner och härdar polymeren vid punkter där strålarna förstärker varandra i fas. Den ohärdade polymeren rinner ut från det härdade nätet, som nu blir substratet för att bilda den slutliga strukturen. Forskarna applicerar sedan aluminiumoxiden på substratet med en metod som exakt kontrollerar beläggningens tjocklek. Slutligen skärs gitterets ändar för att avlägsna polymeren och lämnar endast kristallgitteret av ihåliga aluminiumoxidrör.
Styrka av stål, men väger som luft
Potentialen för sådana "konstruerade" material, som mestadels består av luft i volym, men som är desto mindre stark som stål, är enorm, men svår att förstå, så professor Greer gav flera slående exempel. Det första exemplet, ballonger från vilka helium pumpas ut, men samtidigt behåller sin form. Det andra, framtida flygplanet, vars design väger lika mycket som den manuella modellen väger. Mest överraskande, om den berömda Golden Gate -bron var gjord av sådana nanolagar, kunde allt material som behövs för dess konstruktion placeras (exklusive luft) på en mänsklig handflata.
Precis som de enorma strukturella fördelarna med dessa tuffa, lätta och värmebeständiga material som lämpar sig för otaliga militära applikationer, kan deras förutbestämda elektriska egenskaper revolutionera energilagring och produktion:”Dessa nanostrukturer är mycket lätta, mekaniskt stabila och samtidigt enorma i storlek. ytor, det vill säga vi kan använda i en mängd olika applikationer av den elektrokemiska typen."
Dessa inkluderar extremt effektiva elektroder för batterier och bränsleceller, de är ett uppskattat mål för autonoma strömförsörjningar, bärbara och transportabla kraftverk, samt ett verkligt genombrott inom solcellsteknologi.
"Fotoniska kristaller kan också namnges i detta avseende," sade Greer. "Dessa strukturer låter dig manipulera ljus på ett sådant sätt att du helt kan fånga det, vilket innebär att du kan göra mycket mer effektiva solceller - du fångar upp allt ljus och du har ingen reflektionsförlust."
"Allt detta tyder på att kombinationen av storlekseffekten i nanomaterial och strukturella element gör att vi kan skapa nya materialklasser med egenskaper som inte har uppnåtts", säger professor Greer vid Europeiska organisationen för kärnforskning i Schweiz. "Den största utmaningen vi står inför är hur vi ska skala upp och gå från nano till storleken på vår värld."
Industriellt transparent keramiskt skydd
IBD Deisenroth Engineering har utvecklat en transparent keramisk rustning med ballistisk prestanda som kan jämföras med ogenomskinlig keramisk rustning. Denna nya transparenta rustning är cirka 70% lättare än pansarglas och kan monteras i strukturer med samma multi-impact egenskaper (förmåga att motstå flera träffar) som ogenomskinlig rustning. Detta tillåter inte bara att dramatiskt minska massan av fordon med stora fönster, utan också att stänga alla ballistiska luckor.
För att få skydd enligt STANAG 4569 nivå 3 har det skottsäkra glaset en ytdensitet på cirka 200 kg / m2. Med en typisk fönsteryta på en lastbil på tre kvadratmeter blir massan på de skottsäkra glasögonen 600 kg. Vid byte av sådana skottsäkra glasögon mot IBD -keramik blir viktminskningen mer än 400 kg. Genomskinlig keramik från IBD är en vidareutveckling av IBD NANOTech -keramik. IBD har lyckats utveckla speciella bindningsprocesser som används för att montera keramiska plattor ("mosaik transparent rustning") och sedan laminera dessa enheter till starka strukturella lager för att bilda stora fönsterpaneler. På grund av de utmärkta egenskaperna hos detta keramiska material är det möjligt att producera transparenta pansarpaneler med en betydligt lägre vikt. Stödet, i kombination med det naturliga NANO-fiberlaminatet, förbättrar det nya transparenta skyddets ballistiska prestanda ytterligare på grund av dess större energiabsorbering.
Det israeliska företaget OSG (Oran Safety Glass), som svarar på ökande instabilitet och spänningar runt om i världen, har utvecklat ett brett sortiment av skottsäkra glasprodukter. De är speciellt utformade för försvars- och civila sektorer, militären, paramilitärer, högriskcivila yrken, bygg- och bilindustrin. Företaget marknadsför följande tekniker på marknaden: transparenta skyddslösningar, ballistiska skyddslösningar, ytterligare avancerade transparenta rustningssystem, digitala visuella fönster, nödutgångsfönster, keramiska fönster med färgdisplayteknik, integrerade indikatorljussystem, stötsäkra glassköldstenar, och slutligen, ADI anti-splinter-teknik.
OSG -transparenta material testas ständigt i verkliga situationer: avvisande av fysiska och ballistiska attacker, räddning av liv och skydd av egendom. Alla pansrade transparenta material har skapats i enlighet med stora internationella standarder.
