Militære køretøjer har traditionelt været fremstillet af tungt, dyrt, men højstyrket rustningsstål. Moderne keramiske kompositmaterialer bruges i stigende grad som ikke-bærende beskyttelse til kampkøretøjer. De største fordele ved sådanne materialer er betydeligt lavere omkostninger, forbedret beskyttelse og vægtreduktion med mere end halvdelen. Overvej de moderne grundlæggende keramiske materialer, der i dag bruges til ballistisk beskyttelse
På grund af dets evne til at modstå meget høje temperaturer, betydeligt højere end for metaller, hårdhed, den højeste specifikke styrke og specifikke stivhed, bruges keramik i vid udstrækning til fremstilling af foringer til motorer, raketkomponenter, værktøjsskær, særlig transparent og uigennemsigtige skjolde, som naturligvis er blandt de prioriterede områder for udviklingen af militære systemer. Imidlertid bør anvendelsesområdet i fremtiden væsentligt udvides, da der inden for rammerne af forskning og udvikling i mange lande i verden søges efter nye måder at øge plasticiteten, revnebestandighed og andre ønskelige mekaniske egenskaber på at kombinere en keramisk base med forstærkningsfibre i den såkaldte keramiske matrix. kompositmaterialer (KMKM). Nye produktionsteknologier giver også mulighed for masseproduktion af meget holdbare, gennemsigtige produkter af høj kvalitet i komplekse former og store størrelser fra materialer, der transmitterer synlige og infrarøde bølger. Desuden vil oprettelsen af nye strukturer ved hjælp af nanoteknologi gøre det muligt at opnå holdbare og lette, overhedningsbestandige, kemisk resistente og på samme tid praktisk talt uforgængelige materialer. Denne kombination af ejendomme betragtes i dag som gensidigt udelukkende og dermed meget attraktiv til militære applikationer.
Keramisk-matrix kompositmaterialer (KMKM)
Ligesom deres polymeranaloger består CMC'er af et basestof, kaldet en matrix, og et forstærkende fyldstof, som er partikler eller fibre af et andet materiale. Fibre kan være kontinuerlige eller diskrete, tilfældigt orienterede, lagt i præcise vinkler, sammenflettet på en særlig måde for at opnå øget styrke og stivhed i givne retninger eller jævnt fordelt i alle retninger. Uanset hvilken kombination af materialer eller fiberorientering der er, er bindingen mellem matrixen og den forstærkende komponent imidlertid kritisk for materialets egenskaber. Da polymerer er mindre stive end det materiale, der forstærker dem, er bindingen mellem matrixen og fibrene normalt stærk nok til at materialet kan modstå bøjning som helhed. I tilfælde af CMCM kan matricen imidlertid være stivere end forstærkningsfibrene, så bindingskraften, der er optimeret på samme måde for at muliggøre en lille delokalisering af fiberen og matrixen, hjælper med at absorbere slag energi f.eks. Og forhindre udvikling af revner der ellers ville føre til sprød ødelæggelse og splittelse. Dette gør CMCM meget mere viskøs i sammenligning med ren keramik, og dette er den vigtigste af egenskaberne ved stærkt belastede bevægelige dele, for eksempel dele af jetmotorer.
Letvægts og varme turbineblade
I februar 2015 annoncerede GE Aviation vellykkede forsøg med, hvad det kalder "verdens første ikke-statiske CMC-kit til en flymotor", selvom selskabet ikke oplyste de materialer, der blev brugt til matrixen og forstærkningsmaterialet. Vi taler om lavtryksmøller i en eksperimentel model af F414-turbofanmotoren, hvis udvikling har til formål at give en yderligere bekræftelse af materialets overensstemmelse med de deklarerede krav til drift ved høje stødbelastninger. Denne aktivitet er en del af Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) Next Generation Self-Adaptive Engine Demonstration Program, hvor GE samarbejder med US Air Force Research Laboratory. Formålet med AETD-programmet er at tilvejebringe nøgleteknologier, der kan implementeres i motorer fra sjette generations jagerfly og fra midten af 2020'erne i motorer i femte generations fly, såsom F-35. Adaptive motorer vil være i stand til at justere deres trykstigning og bypass -forhold under flyvningen for at opnå maksimalt tryk under start og i kamp eller maksimal brændstofeffektivitet i krydstogtflytilstand.
Virksomheden understreger, at introduktionen af roterende dele fremstillet af CMC i de "hotteste og mest belastede" dele af en jetmotor repræsenterer et betydeligt gennembrud, da teknologien tidligere kun tillod brug af CMC til fremstilling af stationære dele, f.eks. højtryksmølle. Under testene gennemgik KMKM -turbinebladene i F414 -motoren 500 cyklusser - fra tomgangshastighed til startkraft og tilbage.
Turbinebladene er meget lettere end konventionelle nikkellegeringsblade, hvilket gjorde det muligt for metalskiverne, som de er fastgjort til, at være mindre og lettere, sagde virksomheden.
”Skiftet fra nikkellegeringer til roterende keramik inde i motoren er et virkelig stort spring fremad. Men det er ren mekanik,”sagde Jonathan Blank, chef for CMC og polymerbindere hos GE Aviation. - Lettere klinger skaber mindre centrifugalkraft. Det betyder, at du kan krympe skiver, lejer og andre dele. KMKM gjorde det muligt at foretage revolutionerende ændringer i designet af en jetmotor”.
Målet med AETD -programmet er at reducere det specifikke brændstofforbrug med 25%, øge flyvningens rækkevidde med mere end 30% og øge det maksimale tryk med 10% i forhold til de mest avancerede 5. generations jagerfly. "En af de største udfordringer ved at flytte fra statiske CMC -komponenter til roterende komponenter er det stressfelt, de skal fungere i," sagde Dan McCormick, Advanced Combat Engine Program Manager hos GE Aviation. Samtidig tilføjede han, at afprøvning af F414 -motoren gav vigtige resultater, der vil blive brugt i den adaptive cykelmotor.”Et lavtryks-CMC-turbineblad vejer tre gange mindre end det metalblad, det erstatter, og i den anden økonomiske tilstand er det heller ikke nødvendigt at afkøle CMC-bladet med luft. Bladet vil nu være mere aerodynamisk effektivt, da det ikke er nødvendigt at pumpe al denne køleluft igennem det."
KMKM -materialer, hvor virksomheden siger, at det har investeret mere end en milliard dollars siden det begyndte at arbejde med dem i begyndelsen af 90'erne, kan modstå temperaturer hundredvis af grader højere end traditionelle nikkellegeringer og kendetegnes ved siliciumcarbidforstærkning i en keramisk matrix., hvilket øger dens slagstyrke og revnebestandighed.
GE ser ud til at have udført et ret hårdt arbejde med disse turbineblade. Nogle af de mekaniske egenskaber ved KMKM er faktisk meget beskedne. For eksempel er trækstyrken sammenlignelig med trækstyrken af kobber og billige aluminiumlegeringer, hvilket ikke er særlig godt for dele, der udsættes for store centrifugalkræfter. Derudover udviser de en lav belastning ved brud, det vil sige, at de forlænges meget let ved brud. Disse mangler synes imidlertid at være overvundet, og den lave vægt af disse materialer bidrog bestemt til et vigtigt bidrag til sejren for den nye teknologi.
Modulær rustning med nanoceramik til LEOPARD 2 tanken
Bidrag til sammensat rustning
Selvom beskyttelsesteknologier, der er en kombination af metallag, fiberforstærkede polymerkompositter og keramik, er veletablerede, fortsætter industrien med at udvikle stadig mere komplekse kompositmaterialer, men mange af detaljerne i denne proces er nøje skjult. Morgan Advanced Materials er velkendt inden for området og annoncerede en pris på Armoured Vehicles XV -konferencen i London sidste år for sin SAMAS -forsvarsteknologi. Ifølge Morgan er den SAMAS-beskyttelse, der er meget udbredt på britiske hærers køretøjer, et kompositmateriale forstærket med materialer som S-2 Glass, E-Glass, aramid og polyethylen, der derefter formes til plader og hærdes under højt tryk: “Fibre kan kombineres med hybrid keramiske metal-materialer til at opfylde særlige design- og ydelseskrav."
Ifølge Morgan kan SAMAS rustning med en total tykkelse på 25 mm, der bruges til fremstilling af beskyttelseskapsler til besætningen, reducere vægten af lette beskyttede køretøjer med mere end 1000 kg sammenlignet med køretøjer med en stålkapsel. Andre fordele omfatter lettere reparationer med mindre end 5 mm tykkere tykkelser og dette materiales iboende egenskaber ved spallforing.
Eksplicit spinel -fremskridt
Ifølge US Navy Research Laboratory blomstrer udviklingen og produktionen af transparente materialer baseret på magnesiumaluminiumoxid (MgAI2O4), også samlet kendt som kunstige spineller. Spinler har længe været kendt ikke kun for deres styrke - 0,25 "tyk spinel har de samme ballistiske egenskaber som 2,5" skudsikkert glas - men også vanskeligheden ved at lave store dele med ensartet gennemsigtighed. En gruppe forskere fra dette laboratorium har imidlertid opfundet en ny proces til sintring ved lav temperatur i et vakuum, som giver dig mulighed for at få dele med dimensioner, der kun er begrænset af pressens størrelse. Dette er et stort gennembrud i forhold til tidligere fremstillingsprocesser, som begyndte med processen med at smelte det originale pulver i en smeltedigel.
En af hemmelighederne ved den nye proces er den ensartede fordeling af litiumfluorid (LiF) sintringsadditiv, som smelter og smører spinelkornene, så de kan fordeles jævnt under sintring. I stedet for tørblanding af lithiumfluorid og spinelpulver har laboratoriet udviklet en metode til ensartet belægning af spinelpartiklerne med lithiumfluorid. Dette giver dig mulighed for betydeligt at reducere forbruget af LiF og øge lystransmittansen med op til 99% af den teoretiske værdi i de synlige og melleminfrarøde områder af spektret (0,4-5 mikrometer).
Den nye proces, der giver mulighed for produktion af optik i forskellige former, herunder ark, der passer komfortabelt med vingerne på et fly eller en drone, er blevet licenseret af et firma uden navn. Mulige anvendelser for spinel omfatter panserglas, der vejer mindre end halvdelen af det eksisterende glas, beskyttelsesmasker til soldater, optik til næste generations lasere og multispektrale sensorbriller. Ved masseproducerende for eksempel revnebestandige briller til smartphones og tablets vil omkostningerne til spinelprodukter falde betydeligt.
PERLUCOR - en ny milepæl inden for kugle- og slidbeskyttelsessystemer
CeramTec-ETEC udviklede PERLUCOR transparent keramik for et par år siden med gode udsigter til både forsvar og civile applikationer. PERLUCORs fremragende fysiske, kemiske og mekaniske egenskaber var hovedårsagerne til, at dette materiale lykkedes på markedet.
PERLUCOR har en relativ gennemsigtighed på over 90%, er tre til fire gange stærkere og hårdere end almindeligt glas, varmemodstanden af dette materiale er omkring tre gange højere, hvilket gør det muligt at bruge det ved temperaturer op til 1600 ° C, det også har en ekstremt høj kemisk resistens, hvilket gør det muligt at bruge den med koncentrerede syrer og alkalier. PERLUCOR har et højt brydningsindeks (1, 72), som gør det muligt at fremstille optiske objekter og optiske elementer af miniaturedimensioner, det vil sige at opnå enheder med kraftig forstørrelse, som ikke kan opnås med polymerer eller glas. PERLUCOR keramiske fliser har en standardstørrelse på 90x90 mm; CeramTec-ETEC har imidlertid udviklet en teknologi til fremstilling af kompleksformede plader baseret på dette format i henhold til kundens specifikationer. Tykkelsen af panelerne kan i særlige tilfælde være tiendedele af en millimeter, men som regel er den 2-10 mm.
Udviklingen af lettere og tyndere systemer med gennemsigtig beskyttelse til forsvarsmarkedet skrider frem i et hurtigt tempo. Et betydeligt bidrag til denne proces ydes af den transparente keramik fra SegamTes -virksomheden, som er en del af beskyttelsessystemerne hos mange producenter. Ved test i henhold til STANAG 4569 eller APSD er vægttab i størrelsesordenen 30-60 procent.
I de senere år har en anden retning i udviklingen af teknologier udviklet af SegatTes-ETEC taget form. Køretøjsvinduer, især i sten- og ørkenområder som Afghanistan, er tilbøjelige til at støde på stene og ridser fra viskerblades bevægelse på en sandet, støvet forrude. Også de ballistiske egenskaber ved skudsikre glas, der er blevet beskadiget af stenslag, reduceres. Under fjendtligheder udsættes køretøjer med beskadiget glas for alvorlige og uforudsigelige risici. SegamTes-ETEC har udviklet en virkelig innovativ og original løsning til beskyttelse af glas mod denne slid. Et tyndt lag (<1 mm) PERLUCOR keramisk belægning på forruden overflade hjælper med at modstå sådanne skader. Denne beskyttelse er også velegnet til optiske instrumenter som teleskoper, linser, infrarødt udstyr og andre sensorer. De flade såvel som buede linser lavet af PERLUCOR klar keramik forlænger levetiden for dette meget værdifulde og følsomme optiske udstyr.
CeramTec-ETEC præsenterede med succes et skudsikkert glasdørpanel og et ridse- og stenbestandigt beskyttelsespanel på DSEI 2015 i London.
Holdbar og fleksibel nanoceramik
Fleksibilitet og modstandsdygtighed er ikke kvaliteter, der er forbundet med keramik, men et team af forskere under ledelse af professor i materialevidenskab og mekanik Julia Greer fra California Institute of Technology tog problemet op. Forskerne beskriver det nye materiale som "hårde, lette, regenererbare tredimensionelle keramiske nanolstikere." Dette er dog det samme navn for en artikel, der blev udgivet af Greer og hendes studerende i et videnskabeligt tidsskrift for et par år siden.
Hvad der er skjult nedenunder, illustreres bedst af en terning af aluminiumoxid -nanol, der er flere titalls mikrometer i størrelse, taget med et elektronmikroskop. Under belastningen krymper den med 85%, og når den fjernes, gendannes den til sin oprindelige størrelse. Der blev også udført forsøg med gitter bestående af rør af forskellig tykkelse, hvor de tyndeste rør var de stærkeste og mest elastiske. Med en rørvægtykkelse på 50 nanometer kollapsede gitteret, og med en vægtykkelse på 10 nanometer vendte det tilbage til sin oprindelige tilstand - et eksempel på, hvordan størrelseseffekten øger styrken af nogle materialer. Teorien forklarer dette ved, at med et fald i størrelse falder antallet af fejl i bulkmaterialer proportionelt. Med denne arkitektur af gitteret af hule rør er 99,9% af terningens volumen luft.
Professor Greers team skaber disse små strukturer ved at køre en proces, der ligner 3D -print. Hver proces begynder med en CAD -fil, der driver to lasere, der "maler" strukturen i tre dimensioner og hærder polymeren på punkter, hvor bjælkerne forstærker hinanden i fase. Den uherdede polymer strømmer ud af det hærdede gitter, som nu bliver substratet for at danne den endelige struktur. Forskerne anvender derefter aluminiumoxidet på substratet ved hjælp af en metode, der præcist kontrollerer belægningens tykkelse. Endelig skæres enderne af gitteret for at fjerne polymeren og efterlader kun krystalgitteret af hule aluminiumoxidrør.
Stålstyrke, men vejer som luft
Potentialet i sådanne "konstruerede" materialer, som for det meste er luft i volumen, men er desto mindre stærkt som stål, er enormt, men svært at forstå, så professor Greer gav flere slående eksempler. Det første eksempel, balloner, hvorfra helium pumpes ud, men samtidig bevarer deres form. Det andet, fremtidige fly, hvis design vejer lige så meget som den manuelle model vejer. Mest overraskende, hvis den berømte Golden Gate -bro var lavet af sådanne nanol -net, kunne alle de nødvendige materialer til dens konstruktion placeres (eksklusive luft) på en menneskelig håndflade.
Ligesom de enorme strukturelle fordele ved disse hårde, lette og varmebestandige materialer, der er velegnede til utallige militære applikationer, kan deres forudbestemte elektriske egenskaber revolutionere energilagring og produktion:”Disse nanostrukturer er meget lette, mekanisk stabile og samtidig enorme i størrelse. overflader, det vil sige, vi kan bruge i en række forskellige applikationer af den elektrokemiske type."
Disse omfatter ekstremt effektive elektroder til batterier og brændselsceller, de er et værdsat mål for autonome strømforsyninger, bærbare og transportable kraftværker samt et reelt gennembrud inden for solcelleteknologi.
"Fotoniske krystaller kan også navngives i denne henseende," sagde Greer. "Disse strukturer giver dig mulighed for at manipulere lyset på en sådan måde, at du fuldstændigt kan fange det, hvilket betyder, at du kan gøre meget mere effektive solceller - du fanger alt lys, og du har intet reflektionstab."
"Alt dette tyder på, at kombinationen af størrelseseffekten i nanomaterialer og strukturelle elementer giver os mulighed for at skabe nye klasser af materialer med egenskaber, der ikke har været opnåelige," sagde professor Greer ved European Organization for Nuclear Research i Schweiz. "Den største udfordring, vi står over for, er, hvordan vi skalerer op og bevæger os fra nano til vores verdens størrelse."
Industriel gennemsigtig keramisk beskyttelse
IBD Deisenroth Engineering har udviklet en gennemsigtig keramisk rustning med ballistisk ydeevne, der kan sammenlignes med uigennemsigtig keramisk rustning. Denne nye gennemsigtige rustning er omkring 70% lettere end panserglas og kan samles i strukturer med de samme multi-impact egenskaber (evne til at modstå flere slag) som uigennemsigtig rustning. Dette tillader ikke kun dramatisk at reducere massen af køretøjer med store vinduer, men også at lukke alle ballistiske huller.
For at opnå beskyttelse i henhold til STANAG 4569 Level 3 har det skudsikre glas en overfladetæthed på cirka 200 kg / m2. Med et typisk vinduesareal på en lastbil på tre kvadratmeter vil massen af de skudsikre glas være 600 kg. Ved udskiftning af sådanne skudsikre glas med IBD -keramik vil vægtreduktionen være mere end 400 kg. Gennemsigtig keramik fra IBD er en videreudvikling af IBD NANOTech -keramik. IBD er lykkedes med at udvikle særlige limningsprocesser, der bruges til at samle keramiske fliser ("mosaik transparent rustning") og derefter laminerer disse samlinger til stærke strukturelle lag til at danne store vinduespaneler. På grund af de fremragende egenskaber ved dette keramiske materiale er det muligt at producere transparente rustningspaneler med en betydeligt lavere vægt. Underlaget i kombination med det naturlige NANO-fiberlaminat forbedrer den nye transparente beskyttelses ballistiske ydelse yderligere på grund af dets større energiabsorbering.
Det israelske firma OSG (Oran Safety Glass), der reagerer på stigende ustabilitet og spændinger rundt om i verden, har udviklet en bred vifte af skudsikre glasprodukter. De er specielt designet til forsvaret og civile sektorer, militæret, paramilitære, civile erhverv med høj risiko, bygge- og bilindustrien. Virksomheden markedsfører følgende teknologier på markedet: gennemsigtige beskyttelsesløsninger, ballistiske beskyttelsesløsninger, yderligere avancerede gennemsigtige rustningssystemer, digitale visuelle vinduer, nødudgangsvinduer, keramiske vinduer med farvedisplayteknologi, integrerede indikatorlyssystemer, stødsikre glasskærmsten, og endelig ADI anti-splinter teknologi.
OSG gennemsigtige materialer testes konstant i virkelige situationer: frastødning af fysiske og ballistiske angreb, redning af liv og beskyttelse af ejendom. Alle pansrede gennemsigtige materialer er skabt i overensstemmelse med store internationale standarder.
