Vehiculele militare au fost în mod tradițional fabricate din oțel blindat greu, scump, dar de înaltă rezistență. Materialele compozite ceramice moderne sunt din ce în ce mai utilizate ca protecție fără rulment pentru vehiculele de luptă. Principalele avantaje ale acestor materiale sunt costurile semnificativ mai mici, protecția îmbunătățită și reducerea greutății cu mai mult de jumătate. Luați în considerare materialele ceramice de bază moderne utilizate astăzi pentru protecția balistică
Datorită capacității sale de a rezista la temperaturi foarte ridicate, semnificativ mai mari decât cele ale metalelor, durității, cea mai mare rezistență specifică și rigiditate specifică, ceramica este utilizată pe scară largă pentru fabricarea căptușelilor pentru motoare, componente rachete, muchii tăietoare ale uneltelor, transparente speciale și scuturi opace, care, desigur, se numără printre domeniile prioritare pentru dezvoltarea sistemelor militare. Cu toate acestea, în viitor, domeniul de aplicare al acestuia ar trebui să se extindă semnificativ, întrucât, în cadrul cercetării și dezvoltării desfășurate în multe țări ale lumii, sunt căutate noi de către noi modalități de plasticitate, rezistență la fisuri și alte proprietăți mecanice dorite. combinând o bază ceramică cu fibre de armare în așa-numita matrice ceramică.materiale compozite (KMKM). De asemenea, noile tehnologii de fabricație vor permite producerea în masă a unor produse transparente foarte durabile, de înaltă calitate, cu forme complexe și dimensiuni mari, din materiale care transmit unde vizibile și infraroșii. În plus, crearea de noi structuri care utilizează nanotehnologia va face posibilă obținerea de materiale durabile și ușoare, rezistente la supraîncălzire, rezistente chimic și, în același timp, practic indestructibile. Această combinație de proprietăți este considerată astăzi reciproc exclusivă și, prin urmare, foarte atractivă pentru aplicații militare.
Materiale compozite ceramice-matrice (KMKM)
La fel ca analogii lor polimerici, CMC-urile constau dintr-o substanță de bază, numită matrice, și un material de umplutură de întărire, care este particule sau fibre din alt material. Fibrele pot fi continue sau discrete, orientate aleatoriu, așezate la unghiuri precise, împletite într-un mod special pentru a obține rezistență și rigiditate crescute în direcții date sau distribuite uniform în toate direcțiile. Cu toate acestea, oricare ar fi combinația de materiale sau orientarea fibrelor, legătura dintre matrice și componenta de armare este esențială pentru proprietățile materialului. Deoarece polimerii sunt mai puțin rigizi decât materialul care îi întărește, legătura dintre matrice și fibre este de obicei suficient de puternică pentru a permite materialului să reziste la îndoire în ansamblu. Cu toate acestea, în cazul CMCM, matricea poate fi mai rigidă decât fibrele de armare, astfel încât forța de legătură, optimizată în mod similar pentru a permite o ușoară delocalizare a fibrei și a matricei, ajută la absorbția energiei de impact, de exemplu, și la prevenirea dezvoltării fisurilor care altfel ar duce la distrugere fragilă și scindare. Acest lucru face CMCM mult mai vâscos în comparație cu ceramica pură, iar aceasta este cea mai importantă dintre proprietățile pieselor în mișcare foarte încărcate, de exemplu, părțile motoarelor cu reacție.
Palete de turbină ușoare și fierbinți
În februarie 2015, GE Aviation a anunțat încercări de succes cu ceea ce numește „primul kit CMC nestatic din lume pentru un motor de aeronavă”, deși compania nu a dezvăluit materialele utilizate pentru matrice și material de armare. Vorbim despre palele de turbină de joasă presiune într-un model experimental al motorului turboventilator F414, a cărui dezvoltare este destinată să ofere o confirmare suplimentară a conformității materialului cu cerințele declarate pentru funcționarea la sarcini mari de șoc. Această activitate face parte din Programul de demonstrație a motorului autoadaptativ de generație următoare, Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD), în cadrul căruia GE colaborează cu Laboratorul de Cercetare al Forțelor Aeriene din SUA. Scopul programului AETD este de a oferi tehnologii cheie care ar putea fi implementate pe motoarele avioanelor de luptă din a șasea generație și, începând cu mijlocul anilor 2020, în motoarele avioanelor din a cincea generație, precum F-35. Motoarele adaptive vor putea să-și regleze creșterea presiunii și raportul de ocolire în zbor pentru a obține o tracțiune maximă în timpul decolării și în luptă sau eficiență maximă a combustibilului în modul zbor croazieră.
Compania subliniază faptul că introducerea pieselor rotative realizate din CMC în cele mai „fierbinți și mai încărcate” părți ale unui motor cu reacție reprezintă o descoperire semnificativă, deoarece anterior tehnologia permitea utilizarea CMC numai pentru fabricarea pieselor staționare, de exemplu, un înveliș de turbină de înaltă presiune. În timpul testelor, palele turbinei KMKM din motorul F414 au parcurs 500 de cicluri - de la turația de mers în gol până la împingerea la decolare și înapoi.
Lamele turbinei sunt mult mai ușoare decât lamele convenționale din aliaj de nichel, ceea ce a permis discurilor metalice de care sunt atașate să fie mai mici și mai ușoare, a spus compania.
„Trecerea de la aliajele de nichel la ceramica rotativă în interiorul motorului este un salt foarte mare înainte. Dar este o mecanică pură”, a declarat Jonathan Blank, șeful CMC și lianți polimerici la GE Aviation. - Lamele mai ușoare creează o forță centrifugă mai mică. Aceasta înseamnă că puteți micșora discul, rulmenții și alte părți. KMKM a făcut posibilă modificări revoluționare în proiectarea unui motor cu reacție”.
Scopul programului AETD este de a reduce consumul specific de combustibil cu 25%, de a crește raza de zbor cu mai mult de 30% și de a crește tracțiunea maximă cu 10% comparativ cu cei mai avansați luptători din generația a 5-a. „Una dintre cele mai mari provocări în trecerea de la componentele statice CMC la componentele rotative este câmpul de solicitare în care trebuie să funcționeze”, a spus Dan McCormick, Manager de programe avansate pentru motoare de luptă la GE Aviation. În același timp, el a adăugat că testarea motorului F414 a dat rezultate importante care vor fi utilizate în motorul cu ciclu adaptiv. „O lamă de turbină CMC de joasă presiune cântărește de trei ori mai puțin decât lama metalică pe care o înlocuiește, în plus, în cel de-al doilea mod economic, nu este nevoie să se răcească lama CMC cu aer. Lama va fi acum mai eficientă din punct de vedere aerodinamic, deoarece nu este nevoie să pompăm tot aerul de răcire prin el."
Materialele KMKM, în care compania spune că a investit mai mult de un miliard de dolari de când a început să lucreze la ele la începutul anilor '90, pot rezista la temperaturi cu sute de grade mai mari decât aliajele tradiționale de nichel și se disting prin armarea fibrelor de carbură de siliciu într-o matrice ceramică., care crește rezistența la impact și rezistența la fisurare.
GE pare să fi făcut o muncă destul de grea la aceste pale ale turbinei. Într-adevăr, unele dintre proprietățile mecanice ale KMKM sunt foarte modeste. De exemplu, rezistența la tracțiune este comparabilă cu rezistența la tracțiune a cuprului și a aliajelor de aluminiu ieftine, ceea ce nu este foarte bun pentru piesele supuse unor forțe centrifuge mari. În plus, prezintă o tulpină scăzută la rupere, adică se alungesc foarte ușor la rupere. Cu toate acestea, aceste neajunsuri par să fi fost depășite, iar greutatea redusă a acestor materiale a adus cu siguranță o contribuție importantă la victoria noii tehnologii.
Armură modulară cu nanoceramic pentru rezervorul LEOPARD 2
Contribuția armurii compozite
Deși tehnologiile de protecție, care sunt o combinație de straturi de metal, compozite polimerice armate cu fibre și ceramică, sunt bine stabilite, industria continuă să dezvolte materiale compozite din ce în ce mai complexe, dar multe dintre detaliile acestui proces sunt ascunse cu atenție. Morgan Advanced Materials este bine cunoscut în domeniu, anunțând un premiu la conferința Armored Vehicles XV de la Londra anul trecut pentru tehnologia sa de apărare SAMAS. Potrivit lui Morgan, protecția SAMAS utilizată pe scară largă pe vehiculele armatei britanice este un material compozit armat cu materiale precum sticla S-2, sticla E, aramid și polietilenă, apoi formate în foi și întărite sub presiune ridicată: „Fibrele pot fi combinate cu materiale ceramice-metalice hibride pentru a îndeplini cerințele speciale de proiectare și performanță."
Potrivit lui Morgan, armura SAMAS cu o grosime totală de 25 mm, utilizată pentru fabricarea capsulelor de protecție a echipajului, poate reduce greutatea vehiculelor protejate împotriva luminii cu mai mult de 1000 kg comparativ cu vehiculele cu o capsulă de oțel. Alte beneficii includ reparații mai ușoare cu grosimi mai mici de 5 mm și proprietățile inerente ale căptușelii de spall ale acestui material.
Progresul explicit al spinelei
Potrivit Laboratorului de Cercetare al Marinei SUA, dezvoltarea și producerea de materiale transparente pe bază de oxid de magneziu și aluminiu (MgAI2O4), cunoscut și sub numele de spinele artificiale, este în plină expansiune. Spinele sunt cunoscute de mult timp nu numai pentru rezistența lor - spinela groasă de 0,25 "are aceleași caracteristici balistice ca și sticla antiglonț de 2,5" - dar și dificultatea de a face piese mari cu transparență uniformă. Cu toate acestea, un grup de oameni de știință din acest laborator a inventat un nou proces de sinterizare la temperatură scăzută în vid, care vă permite să obțineți piese cu dimensiuni limitate doar de dimensiunea presei. Aceasta este o descoperire majoră în comparație cu procesele de fabricație anterioare, care au început cu procesul de topire a pulberii originale într-un creuzet de topire.
Unul dintre secretele noului proces este distribuția uniformă a aditivului de sinterizare cu fluorură de litiu (LiF), care topește și lubrifiază boabele de spinel, astfel încât acestea să poată fi distribuite uniform în timpul sinterizării. În loc să amestece uscat fluorura de litiu și pulberile de spinel, laboratorul a dezvoltat o metodă pentru acoperirea uniformă a particulelor de spinel cu fluor de litiu. Acest lucru vă permite să reduceți semnificativ consumul de LiF și să creșteți transmitanța luminii până la 99% din valoarea teoretică în regiunile vizibile și în infraroșu mediu ale spectrului (0,4-5 microni).
Noul proces, care permite producerea de elemente optice în diferite forme, inclusiv foi care se potrivesc confortabil cu aripile unui avion sau a unei drone, a fost autorizat de o companie fără nume. Aplicațiile posibile pentru spinel includ sticlă blindată care cântărește mai puțin de jumătate din masa sticlei existente, măști de protecție pentru soldați, optică pentru lasere de nouă generație și ochelari cu senzor multispectral. Atunci când producem în masă, de exemplu, ochelari rezistenți la fisuri pentru smartphone-uri și tablete, costul produselor cu spinel va scădea semnificativ.
PERLUCOR - o nouă piatră de hotar în sistemele de protecție antiglonț și uzură
CeramTec-ETEC a dezvoltat ceramica transparentă PERLUCOR acum câțiva ani, cu perspective bune atât pentru aplicații civile, cât și pentru apărare. Proprietățile fizice, chimice și mecanice excelente ale PERLUCOR au fost principalele motive pentru intrarea cu succes a acestui material pe piață.
PERLUCOR are o transparență relativă de peste 90%, este de trei până la patru ori mai puternică și mai dură decât sticla obișnuită, rezistența la căldură a acestui material este de aproximativ trei ori mai mare, ceea ce permite utilizarea acestuia la temperaturi de până la 1600 ° C, de asemenea are o rezistență chimică extrem de ridicată, ceea ce permite utilizarea acestuia cu acizi și alcali concentrați. PERLUCOR are un indice de refracție ridicat (1, 72), ceea ce face posibilă fabricarea obiectivelor optice și a elementelor optice de dimensiuni miniaturale, adică obținerea dispozitivelor cu mărire puternică, care nu pot fi realizate cu polimeri sau sticlă. Placile ceramice PERLUCOR au o dimensiune standard de 90x90 mm; cu toate acestea, CeramTec-ETEC a dezvoltat o tehnologie pentru producerea de foi complexe pe baza acestui format, în conformitate cu specificațiile clientului. Grosimea panourilor poate fi, în cazuri speciale, de zecimi de milimetru, dar, de regulă, este de 2-10 mm.
Dezvoltarea unor sisteme mai ușoare și mai subțiri de protecție transparentă pentru piața apărării progresează într-un ritm rapid. O contribuție semnificativă la acest proces este adusă de ceramica transparentă a companiei SegamTes, care face parte din sistemele de protecție ale multor producători. Când este testat în conformitate cu STANAG 4569 sau APSD, reducerea greutății este de ordinul 30-60 la sută.
În ultimii ani, a luat cont o altă direcție în dezvoltarea tehnologiilor dezvoltate de SegatTes-ETEC. Geamurile vehiculelor, în special în zonele stâncoase și deșertice, cum ar fi Afganistanul, sunt predispuse la impacturi de piatră și zgârieturi din mișcarea lamelor ștergătoarelor pe un parbriz nisipos și prăfuit. De asemenea, caracteristicile balistice ale ochelarilor antiglonț care au fost deteriorate de loviturile de piatră sunt reduse. În timpul ostilităților, vehiculele cu sticlă deteriorată sunt expuse la riscuri grave și imprevizibile. SegamTes-ETEC a dezvoltat o soluție cu adevărat inovatoare și originală pentru protejarea sticlei de acest tip de uzură. Un strat subțire (<1 mm) de acoperire ceramică PERLUCOR pe suprafața parbrizului ajută la rezistența cu succes la astfel de daune. Această protecție este potrivită și pentru instrumentele optice precum telescoape, lentile, echipamente cu infraroșu și alți senzori. Lentilele plate și curbate din ceramică transparentă PERLUCOR extind durata de viață a acestui echipament optic extrem de valoros și sensibil.
CeramTec-ETEC a prezentat cu succes un panou de ușă din sticlă antiglonț și un panou de protecție rezistent la zgârieturi și pietre la DSEI 2015 din Londra.
Nanoceramic durabil și flexibil
Flexibilitatea și rezistența nu sunt calități inerente ceramicii, dar o echipă de oameni de știință condusă de profesorul de știință și mecanică a materialelor Julia Greer de la Institutul de Tehnologie din California a abordat problema. Cercetatorii descriu noul material ca fiind "nanolatice ceramice tridimensionale dure, usoare si regenerabile". Cu toate acestea, acesta este același nume pentru un articol publicat de Greer și studenții ei într-o revistă științifică acum câțiva ani.
Ceea ce este ascuns dedesubt este cel mai bine ilustrat de un cub de nanolatice de oxid de aluminiu de câteva zeci de microni, luate cu un microscop electronic. Sub acțiunea încărcăturii, aceasta se micșorează cu 85% și, atunci când este îndepărtată, este readusă la dimensiunea inițială. De asemenea, s-au efectuat experimente cu rețele formate din tuburi de diferite grosimi, cele mai subțiri tuburi fiind cele mai puternice și elastice. Cu o grosime a peretelui tubului de 50 nanometri, rețeaua s-a prăbușit și cu grosimea peretelui de 10 nanometri, a revenit la starea inițială - un exemplu al modului în care efectul de dimensiune crește rezistența unor materiale. Teoria explică acest lucru prin faptul că, odată cu scăderea dimensiunii, numărul defectelor materialelor în vrac scade proporțional. Cu această arhitectură a rețelei tuburilor goale, 99,9% din volumul cubului este aer.
Echipa profesorului Greer creează aceste mici structuri executând un proces similar cu imprimarea 3D. Fiecare proces începe cu un fișier CAD care acționează două lasere care „vopsesc” structura în trei dimensiuni, vindecând polimerul în punctele în care grinzile se amplifică reciproc în fază. Polimerul necurat curge din rețeaua întărită, care devine acum substratul pentru a forma structura finală. Cercetătorii aplică apoi alumina pe substrat folosind o metodă care controlează cu precizie grosimea stratului de acoperire. În cele din urmă, capetele rețelei sunt tăiate pentru a îndepărta polimerul, lăsând doar rețeaua de cristal a tuburilor goale de alumină.
Rezistența oțelului, dar cântărește ca aerul
Potențialul unor astfel de materiale „proiectate”, care sunt în mare parte aer în volum, dar sunt cu atât mai puțin puternice ca oțelul, este enorm, dar greu de înțeles, așa că profesorul Greer a dat câteva exemple izbitoare. Primul exemplu, baloane din care este pompat heliu, dar în același timp păstrându-și forma. A doua, viitoare aeronavă, al cărei design cântărește la fel de mult ca și modelul său manual. Cel mai surprinzător, dacă celebrul pod Golden Gate ar fi fost realizat din astfel de nanolate, toate materialele necesare construcției sale ar putea fi așezate (cu excepția aerului) pe o palmă umană.
La fel ca enormele avantaje structurale ale acestor materiale dure, ușoare și rezistente la căldură potrivite pentru nenumărate aplicații militare, proprietățile lor electrice predeterminate ar putea revoluționa stocarea și generarea de energie: „Aceste nanostructuri sunt foarte ușoare, stabile mecanic și în același timp uriașe în dimensiunea suprafețelor, adică putem folosi într-o varietate de aplicații de tip electrochimic."
Acestea includ electrozi extrem de eficienți pentru baterii și celule de combustibil, sunt un obiectiv prețuit pentru sursele de alimentare autonome, centralele portabile și transportabile, precum și o adevărată descoperire în tehnologia celulelor solare.
"Cristalele fotonice pot fi, de asemenea, numite în acest sens", a spus Greer. „Aceste structuri vă permit să manipulați lumina în așa fel încât să o puteți capta complet, ceea ce înseamnă că puteți face celule solare mult mai eficiente - captați toată lumina și nu aveți pierderi de reflexie”.
„Toate acestea sugerează că combinația efectului de dimensiune în nanomateriale și elemente structurale ne permite să creăm noi clase de materiale cu proprietăți care nu au fost realizabile”, a declarat profesorul Greer la Organizația Europeană pentru Cercetări Nucleare din Elveția. „Cea mai mare provocare cu care ne confruntăm este cum să ne extindem și să trecem de la nano la dimensiunea lumii noastre”.
Protecție ceramică transparentă industrială
IBD Deisenroth Engineering a dezvoltat o armură ceramică transparentă cu performanță balistică comparabilă cu armura ceramică opacă. Această nouă armură transparentă este cu aproximativ 70% mai ușoară decât sticla blindată și poate fi asamblată în structuri cu aceleași caracteristici multi-impact (capacitatea de a rezista loviturilor multiple) ca armura opacă. Acest lucru permite nu numai să reducă dramatic masa vehiculelor cu geamuri mari, ci și să închidă toate golurile balistice.
Pentru a obține protecție în conformitate cu STANAG 4569 Nivelul 3, sticla antiglonț are o densitate a suprafeței de aproximativ 200 kg / m2. Cu o zonă tipică a ferestrei unui camion de trei metri pătrați, masa ochelarilor antiglonț va fi de 600 kg. La înlocuirea acestor ochelari antiglonț cu ceramică IBD, reducerea greutății va fi mai mare de 400 kg. Ceramica transparentă din IBD este o dezvoltare ulterioară a ceramicii IBD NANOTech. IBD a reușit să dezvolte procese speciale de lipire care sunt utilizate pentru asamblarea plăcilor ceramice („armură transparentă cu mozaic”) și apoi laminează aceste ansambluri în straturi structurale puternice pentru a forma panouri de ferestre mari. Datorită caracteristicilor remarcabile ale acestui material ceramic, este posibil să se producă panouri transparente de blindaj cu o greutate semnificativ mai mică. Suportul, în combinație cu laminatul natural NANO-Fiber, îmbunătățește în continuare performanța balistică a noii protecții transparente datorită absorbției sale mai mari de energie.
Compania israeliană OSG (Oran Safety Glass), răspunzând nivelurilor crescute de instabilitate și tensiune din întreaga lume, a dezvoltat o gamă largă de produse din sticlă antiglonț. Acestea sunt concepute special pentru sectoarele de apărare și civil, militare, paramilitari, ocupații civile cu risc ridicat, industria construcțiilor și auto. Compania promovează următoarele tehnologii pe piață: soluții de protecție transparentă, soluții de protecție balistică, sisteme avansate de blindaje transparente suplimentare, ferestre vizuale digitale, ferestre de ieșire de urgență, ferestre ceramice cu tehnologie de afișare color, sisteme integrate de iluminare indicatoare, scuturi din sticlă rezistente la șocuri și, în cele din urmă, tehnologia anti-splinter ADI.
Materialele transparente OSG sunt testate constant în situații din viața reală: respingerea atacurilor fizice și balistice, salvarea de vieți și protejarea proprietății. Toate materialele blindate transparente au fost create în conformitate cu standardele internaționale majore.
