Vojaška vozila so tradicionalno izdelana iz težkega, dragega, a visoko trdnega oklepnega jekla. Sodobni keramični kompozitni materiali se vse pogosteje uporabljajo kot nenosilna zaščita za bojna vozila. Glavne prednosti takšnih materialov so bistveno nižji stroški, izboljšana zaščita in zmanjšanje teže za več kot polovico. Razmislite o sodobnih osnovnih keramičnih materialih, ki se danes uporabljajo za balistično zaščito
Zaradi svoje sposobnosti, da prenese zelo visoke temperature, bistveno višje od kovin, trdote, najvišje specifične trdnosti in specifične togosti, se keramika pogosto uporablja za izdelavo oblog za motorje, sestavnih delov raket, rezalnih robov orodja, posebnih prozornih in nepregledni ščiti, ki so seveda med prednostnimi področji razvoja vojaških sistemov. V prihodnosti pa bi se moral obseg njegove uporabe znatno razširiti, saj se v okviru raziskav in razvoja, ki potekajo v mnogih državah sveta, iščejo nove načine za povečanje plastičnosti, odpornosti proti razpokam in drugih zaželenih mehanskih lastnosti kombiniranje keramične podlage z ojačevalnimi vlakni v tako imenovani keramični matrici.kompozitni materiali (KMKM). Nove proizvodne tehnologije bodo omogočile tudi množično proizvodnjo zelo trpežnih, kakovostnih prozornih izdelkov zapletenih oblik in velikih velikosti iz materialov, ki prenašajo vidne in infrardeče valove. Poleg tega bo ustvarjanje novih struktur z nanotehnologijo omogočilo pridobivanje trpežnih in lahkih, odpornih proti pregrevanju, kemično odpornih in hkrati skoraj neuničljivih materialov. Ta kombinacija lastnosti se danes šteje za medsebojno izključujočo in je zato zelo privlačna za vojaške namene.
Keramično-matrični kompozitni materiali (KMKM)
Tako kot njihovi polimerni analogi so CMC sestavljeni iz osnovne snovi, imenovane matriks, in ojačevalnega polnila, ki je delci ali vlakna iz drugega materiala. Vlakna so lahko neprekinjena ali diskretna, naključno usmerjena, položena pod natančnimi koti, prepletena na poseben način, da dosežejo povečano trdnost in togost v danih smereh, ali enakomerno razporejena v vseh smereh. Ne glede na kombinacijo materialov ali orientacijo vlaken je vez med matrico in ojačitveno komponento ključna za lastnosti materiala. Ker so polimeri manj trdni od materiala, ki jih ojača, je vez med matrico in vlakni običajno dovolj močna, da se material lahko upira upogibanju kot celoti. V primeru CMCM pa je matrika lahko trša od ojačitvenih vlaken, tako da vezna sila, podobno optimizirana, da omogoči rahlo delokalizacijo vlaken in matrike, pomaga na primer absorbirati udarno energijo in preprečiti nastanek razpok to bi sicer vodilo do krhkega uničenja in cepljenja. Zaradi tega je CMCM veliko bolj viskozen v primerjavi s čisto keramiko, kar je najpomembnejša od lastnosti visoko obremenjenih gibljivih delov, na primer delov reaktivnih motorjev.
Lahka in vroča lopatica turbine
Februarja 2015 je GE Aviation objavila uspešne preizkuse tega, kar imenuje "prvi na svetu nestatični komplet CMC za letalski motor", čeprav podjetje ni razkrilo materialov, uporabljenih za matriko in ojačitveni material. Govorimo o nizkotlačnih turbinskih lopaticah v poskusnem modelu turboventilnega motorja F414, katerega razvoj naj bi dodatno potrdil skladnost materiala z deklariranimi zahtevami za delovanje pri visokih udarnih obremenitvah. Ta dejavnost je del demonstracijskega programa za prilagajanje motorja nove generacije (AETD) naslednje generacije samo-prilagodljivega motorja, v katerem GE sodeluje z raziskovalnim laboratorijem letalskih sil ZDA. Cilj programa AETD je zagotoviti ključne tehnologije, ki bi jih bilo mogoče implementirati v motorje lovcev šeste generacije, od sredine leta 2020 pa v motorje letal pete generacije, kot je F-35. Prilagodljivi motorji bodo lahko med letom prilagodili svoj dvig tlaka in obvodno razmerje, da bodo med vzletom in v boju dosegli največji potisk ali največjo porabo goriva v načinu križarjenja.
Družba poudarja, da uvedba vrtljivih delov iz CMC v "najbolj vroče in najbolj obremenjene" dele reaktivnega motorja predstavlja pomemben preboj, saj je prej tehnologija omogočala uporabo CMC samo za izdelavo stacionarnih delov, npr. visokotlačni pokrov turbine. Med preskusi so turbinske lopatice KMKM v motorju F414 prešle 500 ciklov - od prostega teka do vzletnega potiska in nazaj.
Rezila turbine so veliko lažja od običajnih rezil iz zlitine niklja, kar je omogočilo, da so kovinski diski, na katere so pritrjeni, manjši in lažji, so sporočili iz podjetja.
»Prehod z nikljevih zlitin na vrtljivo keramiko v motorju je res velik korak naprej. Ampak to je čista mehanika, «je dejal Jonathan Blank, vodja CMC in polimernih veziv v GE Aviation. - Lažja rezila ustvarjajo manj centrifugalne sile. To pomeni, da lahko skrčite disk, ležaje in druge dele. KMKM je omogočil revolucionarne spremembe v zasnovi reaktivnega motorja «.
Cilj programa AETD je zmanjšati specifično porabo goriva za 25%, povečati doseg leta za več kot 30% in povečati največji potisk za 10% v primerjavi z najnaprednejšimi lovci pete generacije. "Eden največjih izzivov pri prehodu s statičnih komponent CMC na vrtljive komponente je polje napetosti, v katerem morajo delovati," je dejal Dan McCormick, vodja programa naprednih bojnih motorjev pri GE Aviation. Hkrati je dodal, da je testiranje motorja F414 prineslo pomembne rezultate, ki bodo uporabljeni v motorju s prilagodljivim ciklom. »Nizkotlačno turbinsko rezilo CMC tehta trikrat manj kot kovinsko rezilo, ki ga nadomešča, poleg tega v drugem varčnem načinu ni treba hladiti rezila CMC z zrakom. Rezilo bo zdaj bolj aerodinamično učinkovito, saj skozi njega ni treba črpati vsega tega hladilnega zraka."
Materiali KMKM, v katere družba pravi, da je od začetka dela na njih v začetku devetdesetih let vložila več kot milijardo dolarjev, lahko prenesejo temperature, ki so stotine stopinj višje od tradicionalnih zlitin niklja, odlikuje pa jih ojačitev s silicijevim karbidom v keramični matrici., kar poveča njegovo udarno trdnost in odpornost proti razpokam.
Zdi se, da je GE na teh turbinskih lopaticah opravil precej trdo delo. Dejansko so nekatere mehanske lastnosti KMKM zelo skromne. Na primer, natezna trdnost je primerljiva z natezno trdnostjo bakra in poceni aluminijevih zlitin, kar ni dobro za dele, ki so izpostavljeni velikim centrifugalnim silam. Poleg tega pri prekinitvi izkazujejo nizko obremenitev, to pomeni, da se pri prelomu zelo rahlo podaljšajo. Vendar se zdi, da so bile te pomanjkljivosti odpravljene in majhna teža teh materialov je vsekakor pomembno prispevala k zmagi nove tehnologije.
Modularni oklep z nanokeramiko za rezervoar LEOPARD 2
Prispevek sestavljenega oklepa
Čeprav so zaščitne tehnologije, ki so kombinacija plasti kovine, polimernih kompozitov, ojačanih z vlakni in keramike, dobro uveljavljene, industrija še naprej razvija vse bolj zapletene kompozitne materiale, vendar so številne podrobnosti tega procesa skrbno skrite. Morgan Advanced Materials je na tem področju dobro znan, lani je na konferenci Armored Vehicles XV v Londonu razglasil nagrado za obrambno tehnologijo SAMAS. Po Morganovih besedah je zaščita SAMAS, ki se pogosto uporablja v vozilih britanske vojske, kompozitni material, ojačan z materiali, kot so steklo S-2, steklo E, steklo, aramid in polietilen, nato pa oblikovano v pločevine in utrjeno pod visokim pritiskom: "Vlakna je mogoče kombinirati s hibridnimi keramično-kovinskimi materiali, ki ustrezajo posebnim zahtevam glede oblikovanja in zmogljivosti."
Po mnenju Morgana lahko oklep SAMAS s skupno debelino 25 mm, ki se uporablja za izdelavo zaščitnih kapsul posadke, lahko zmanjša težo lahko zaščitenih vozil za več kot 1000 kg v primerjavi z vozili z jekleno kapsulo. Druge prednosti vključujejo lažja popravila z debelino manj kot 5 mm in lastne lastnosti tega materiala.
Izrazit napredek spinela
Po podatkih ameriškega raziskovalnega laboratorija za mornarico je razvoj in proizvodnja prozornih materialov na osnovi magnezijevega aluminijevega oksida (MgAI2O4), znanega tudi kot umetni špineli, v razcvetu. Spineli so že dolgo znani ne le po svoji trdnosti - 0,25 "debel spinel ima enake balistične lastnosti kot 2,5" neprebojno steklo - ampak tudi po težavah pri izdelavi velikih delov z enakomerno prosojnostjo. Vendar je skupina znanstvenikov iz tega laboratorija izumila nov postopek za nizkotemperaturno sintranje v vakuumu, ki vam omogoča, da dobite dele z merami, omejenimi le z velikostjo stiskalnice. To je velik preboj v primerjavi s prejšnjimi proizvodnimi procesi, ki so se začeli s postopkom taljenja prvotnega prahu v talilnem lončku.
Ena od skrivnosti novega postopka je enakomerna porazdelitev sintracijskega dodatka litijevega fluorida (LiF), ki topi in maže zrna hrbtenice, tako da se lahko med sintranjem enakomerno porazdelijo. Namesto suhega mešanja litijevega fluorida in spinelnega prahu je laboratorij razvil metodo za enakomerno premazovanje delcev spinela z litijevim fluoridom. To vam omogoča znatno zmanjšanje porabe LiF in povečanje prepustnosti svetlobe do 99% teoretične vrednosti v vidnem in srednjem infrardečem območju spektra (0,4-5 mikronov).
Nov postopek, ki omogoča izdelavo optike v različnih oblikah, vključno s ploščami, ki se udobno prilegajo krilom letala ali drona, je licenciralo neimenovano podjetje. Možne aplikacije za spinel vključujejo oklepno steklo, ki tehta manj kot polovico mase obstoječega stekla, zaščitne maske za vojake, optiko za laserje naslednje generacije in večspektralna senčna stekla. Pri množični proizvodnji, na primer očal, odpornih proti razpokam za pametne telefone in tablične računalnike, se bodo stroški izdelkov spinel občutno znižali.
PERLUCOR - nov mejnik v sistemih za zaščito pred kroglami in obrabo
CeramTec-ETEC je pred nekaj leti razvil prozorno keramiko PERLUCOR z dobrimi obeti za obrambo in civilno uporabo. Odlične fizikalne, kemijske in mehanske lastnosti PERLUCOR -ja so bile glavni razlog za uspešen vstop tega materiala na trg.
PERLUCOR ima relativno preglednost več kot 90%, je tri do štirikrat močnejši in trši kot običajno steklo, toplotno odpornost tega materiala je približno trikrat večja, kar omogoča uporabo pri temperaturah do 1600 ° C, prav tako ima izjemno visoko kemijsko odpornost, kar omogoča uporabo s koncentriranimi kislinami in alkalijami. PERLUCOR ima visok lomni količnik (1, 72), ki omogoča izdelavo optičnih objektov in optičnih elementov miniaturnih dimenzij, to je pridobivanje naprav z močno povečavo, česar ni mogoče doseči s polimeri ali steklom. Keramične ploščice PERLUCOR imajo standardno velikost 90x90 mm; vendar je CeramTec-ETEC razvil tehnologijo za izdelavo listov kompleksne oblike, ki temelji na tem formatu v skladu s specifikacijami strank. Debelina plošč je v posebnih primerih lahko desetine milimetra, praviloma pa 2-10 mm.
Razvoj lažjih in tanjših sistemov pregledne zaščite na obrambnem trgu napreduje hitro. K temu procesu pomembno prispeva prozorna keramika podjetja SegamTes, ki je del zaščitnih sistemov številnih proizvajalcev. Pri preskušanju v skladu s standardom STANAG 4569 ali APSD je zmanjšanje teže za 30-60 odstotkov.
V zadnjih letih se je oblikovala še ena smer v razvoju tehnologij, ki jih je razvil SegatTes-ETEC. Okna vozil, zlasti na skalnatih in puščavskih območjih, kot je Afganistan, so nagnjena k udarcem kamna in praskam zaradi premikanja metlic brisalcev na peščenem, prašnem vetrobranskem steklu. Zmanjšajo se tudi balistične lastnosti kozarcev, odpornih proti kroglam, ki so bili poškodovani zaradi udarcev kamna. Med sovražnostmi so vozila s poškodovanim steklom izpostavljena resnim in nepredvidljivim tveganjem. SegamTes-ETEC je razvil resnično inovativno in izvirno rešitev za zaščito stekla pred tovrstno obrabo. Tanka plast (<1 mm) keramične prevleke PERLUCOR na površini vetrobranskega stekla pomaga uspešno preprečiti takšne poškodbe. Ta zaščita je primerna tudi za optične instrumente, kot so teleskopi, leče, infrardeča oprema in drugi senzorji. Ravne in ukrivljene leče iz prozorne keramike PERLUCOR podaljšujejo življenjsko dobo te zelo dragocene in občutljive optične opreme.
CeramTec-ETEC je na DSEI 2015 v Londonu uspešno predstavil neprebojno stekleno ploščo vrat in zaščitno ploščo, odporno proti praskam in kamnom.
Trpežna in prilagodljiva nanokeramika
Prilagodljivost in odpornost nista lastnosti, ki so lastni keramiki, toda skupina znanstvenikov, ki jo vodi profesorica materialov in mehanike Julia Greer s kalifornijskega tehnološkega inštituta, se je lotila problema. Raziskovalci opisujejo nov material kot "trpežne, lahke, regenerativne tridimenzionalne keramične nanoreže". Vendar je to isto ime za članek, ki sta ga Greer in njeni študentje objavili v znanstveni reviji pred nekaj leti.
Kaj se skriva spodaj, najbolje ponazarja kocka nanodelcev iz aluminijevega oksida v velikosti nekaj deset mikronov, posneta z elektronskim mikroskopom. Pod obremenitvijo se skrči za 85% in se ob odstranitvi povrne v prvotno velikost. Poskusi so bili izvedeni tudi z rešetkami, sestavljenimi iz cevi različnih debelin, pri čemer so najtanjše cevi najmočnejše in najbolj elastične. Z debelino stene cevi 50 nanometrov se je rešetka zrušila in z debelino stene 10 nanometrov se je vrnila v prvotno stanje - primer, kako učinek velikosti poveča trdnost nekaterih materialov. Teorija to pojasnjuje z dejstvom, da se z zmanjšanjem velikosti sorazmerno zmanjšuje število napak v razsutih materialih. Pri tej arhitekturi rešetke votlih cevi je 99,9% prostornine kocke zrak.
Ekipa profesorja Greerja ustvarja te drobne strukture z izvajanjem postopka, podobnega 3D tiskanju. Vsak postopek se začne z datoteko CAD, ki poganja dva laserja, ki "pobarvata" strukturo v treh dimenzijah in utrdijo polimer na mestih, kjer se žarki fazno krepijo. Nezdravljeni polimer priteče iz utrjene mreže, ki zdaj postane substrat za oblikovanje končne strukture. Raziskovalci nato nanesejo aluminijev oksid na podlago z metodo, ki natančno nadzoruje debelino prevleke. Končno se konci rešetke razrežejo, da se odstrani polimer, ostane samo kristalna rešetka votlih cevi iz glinice.
Jeklena trdnost, vendar tehta kot zrak
Potencial takšnih "inženirskih" materialov, ki so večinoma po prostornini zraka, vendar so manj trdni kot jeklo, je ogromen, vendar težko razumljiv, zato je profesor Greer navedel nekaj presenetljivih primerov. Prvi primer, baloni, iz katerih se črpa helij, hkrati pa ohranjajo svojo obliko. Drugo, prihodnje letalo, katerega zasnova tehta toliko, kot tehta njegov ročni model. Najbolj presenetljivo je, da če bi bil slavni most Golden Gate izdelan iz takšnih nanorešk, bi lahko vse materiale, potrebne za njegovo gradnjo, postavili (brez zraka) na človeško dlan.
Tako kot ogromne strukturne prednosti teh žilavih, lahkih in toplotno odpornih materialov, primernih za nešteto vojaških aplikacij, bi lahko njihove vnaprej določene električne lastnosti spremenile shranjevanje in proizvodnjo energije: »Te nanostrukture so zelo lahke, mehansko stabilne in hkrati ogromne. velikosti. to pomeni, da jih lahko uporabljamo v različnih aplikacijah elektrokemičnega tipa."
Ti vključujejo izjemno učinkovite elektrode za baterije in gorivne celice, so cenjen cilj avtonomnih napajalnikov, prenosnih in prenosnih elektrarn ter pravi preboj v tehnologiji sončnih celic.
"V zvezi s tem lahko imenujemo tudi fotonske kristale," je dejal Greer. "Te strukture vam omogočajo, da s svetlobo manipulirate tako, da jo lahko popolnoma ujamete, kar pomeni, da lahko naredite veliko učinkovitejše sončne celice - zajemate vso svetlobo in nimate izgube odboja."
"Vse to kaže, da nam kombinacija učinka velikosti v nanomaterialih in strukturnih elementih omogoča ustvarjanje novih razredov materialov z lastnostmi, ki jih ni mogoče doseči," je dejal profesor Greer iz Evropske organizacije za jedrske raziskave v Švici. "Največji izziv, s katerim se soočamo, je, kako povečati obseg in se premakniti z nano na velikost našega sveta."
Industrijska prozorna keramična zaščita
IBD Deisenroth Engineering je razvil prozorni keramični oklep z balističnimi zmogljivostmi, primerljivimi z neprozornim keramičnim oklepom. Ta nov prozorni oklep je približno 70% lažji od oklepnega stekla in ga je mogoče sestaviti v strukture z enakimi značilnostmi več udarcev (sposobnost, da prenese več udarcev) kot neprozoren oklep. To omogoča ne le dramatično zmanjšanje mase vozil z velikimi okni, temveč tudi zapiranje vseh balističnih vrzeli.
Za zaščito v skladu s standardom STANAG 4569 3 ima neprebojno steklo površinsko gostoto približno 200 kg / m2. S tipično okensko površino tovornjaka tri kvadratne metre bo masa neprebojnih stekel 600 kg. Pri zamenjavi takšnih neprebojnih stekel s keramiko IBD se bo teža zmanjšala za več kot 400 kg. Prozorna keramika iz IBD je nadaljnji razvoj keramike IBD NANOTech. IBD je uspel razviti posebne postopke lepljenja, ki se uporabljajo za sestavljanje keramičnih ploščic ("mozaični prozorni oklep") in nato te sklope laminirajo v močne strukturne plasti, da tvorijo velike okenske plošče. Zaradi izjemnih lastnosti tega keramičnega materiala je mogoče izdelati prozorne oklepne plošče z znatno manjšo težo. Podloga v kombinaciji z laminatom Natural NANO-Fiber dodatno izboljša balistično zmogljivost nove prozorne zaščite zaradi njene večje absorpcije energije.
Izraelsko podjetje OSG (Oran Safety Glass), ki se je odzvalo na naraščajočo stopnjo nestabilnosti in napetosti po vsem svetu, je razvilo široko paleto neprebojnih steklenih izdelkov. Posebej so zasnovani za obrambni in civilni sektor, vojsko, paravojsko, civilne poklice z visokim tveganjem, gradbeno in avtomobilsko industrijo. Podjetje na trg promovira naslednje tehnologije: prozorne zaščitne rešitve, rešitve balistične zaščite, dodatne napredne prozorne oklepne sisteme, digitalna vizualna okna, okna za izhod v sili, keramična okna s tehnologijo barvnega prikaza, vgrajene sisteme indikatorskih luči, steklene ščitnike odporne proti udarcem, in na koncu ADI tehnologija proti drobljenju.
Prozorni materiali OSG se nenehno preizkušajo v resničnih življenjskih situacijah: odbijanje fizičnih in balističnih napadov, reševanje življenj in zaščita premoženja. Vsi oklepni prozorni materiali so ustvarjeni v skladu z glavnimi mednarodnimi standardi.
