Vojenské vozidlá sú tradične vyrábané z ťažkej, drahej, ale vysokopevnostnej pancierovej ocele. Moderné keramické kompozitné materiály sa stále viac používajú ako nenosnú ochranu bojových vozidiel. Hlavnými výhodami takýchto materiálov sú výrazne nižšie náklady, zlepšená ochrana a zníženie hmotnosti o viac ako polovicu. Zvážte moderné základné keramické materiály, ktoré sa dnes používajú na balistickú ochranu
Vďaka svojej schopnosti odolávať veľmi vysokým teplotám, výrazne vyšším ako je teplota kovov, tvrdosti, najvyššej špecifickej pevnosti a špecifickej tuhosti, sa keramika široko používa na výrobu obložení motorov, súčastí rakiet, rezných hrán nástrojov, špeciálnych priehľadných a nepriehľadné štíty, ktoré, samozrejme, patria medzi prioritné oblasti rozvoja vojenských systémov. V budúcnosti by sa však rozsah jeho aplikácie mal výrazne rozšíriť, pretože v rámci výskumu a vývoja vykonaného v mnohých krajinách sveta hľadajú nové spôsoby zvýšenia plasticity, odolnosti voči praskaniu a ďalších žiaducich mechanických vlastností spojenie keramickej základne s výstužnými vláknami v takzvanej keramickej matrici.kompozitné materiály (KMKM). Nové výrobné technológie tiež umožnia sériovú výrobu veľmi trvanlivých, vysokokvalitných transparentných výrobkov zložitých tvarov a veľkých veľkostí z materiálov, ktoré prenášajú viditeľné a infračervené vlny. Vytvorenie nových štruktúr pomocou nanotechnológií navyše umožní získať trvanlivé a ľahké materiály odolné voči prehriatiu, chemicky odolné a súčasne prakticky nezničiteľné materiály. Táto kombinácia vlastností je dnes považovaná za navzájom sa vylučujúcu, a preto je veľmi atraktívna pre vojenské aplikácie.
Kompozitné materiály z keramickej matrice (KMKM)
Rovnako ako ich analógy polymérov, CMC pozostávajú zo základnej látky, nazývanej matrica, a vystužujúceho plniva, ktorým sú častice alebo vlákna iného materiálu. Vlákna môžu byť spojité alebo diskrétne, náhodne orientované, kladené v presných uhloch, prepletené špeciálnym spôsobom na získanie zvýšenej pevnosti a tuhosti v daných smeroch alebo rovnomerne rozložené vo všetkých smeroch. Bez ohľadu na kombináciu materiálov alebo orientáciu vlákien je väzba medzi matricou a výstužnou zložkou rozhodujúca pre vlastnosti materiálu. Pretože polyméry sú menej tuhé ako materiál, ktorý ich spevňuje, väzba medzi matricou a vláknami je zvyčajne dostatočne silná, aby materiál odolával ohybu ako celku. V prípade CMCM však môže byť matrica tuhšia ako výstužné vlákna, takže spojovacia sila, podobne optimalizovaná tak, aby umožňovala miernu delokalizáciu vlákna a matrice, napríklad pomáha absorbovať energiu nárazu a zabraňuje vzniku trhlín. čo by inak viedlo k krehkému zničeniu a rozštiepeniu. Vďaka tomu je CMCM oveľa viskóznejší v porovnaní s čistou keramikou, a to je najdôležitejšia z vlastností vysoko zaťažených pohyblivých častí, napríklad častí prúdových motorov.
Ľahké a horúce lopatky turbíny
Vo februári 2015 spoločnosť GE Aviation oznámila úspešné skúšky toho, čo nazýva „prvou nestatickou súpravou CMC na svete pre letecký motor“, aj keď spoločnosť nezverejnila materiály použité na matricu a výstužný materiál. Hovoríme o nízkotlakových lopatkách turbíny v experimentálnom modeli prúdového motora F414, ktorého vývoj má poskytnúť ďalšie potvrdenie súladu materiálu s deklarovanými požiadavkami na prevádzku pri vysokých rázových zaťaženiach. Táto aktivita je súčasťou predvádzacieho programu adaptívnej motorovej technológie (AETD) novej generácie, ktorý v rámci nej spolupracuje s americkým výskumným laboratóriom leteckých síl. Cieľom programu AETD je poskytnúť kľúčové technológie, ktoré by bolo možné implementovať do motorov stíhačiek šiestej generácie a od polovice roku 2020 do motorov lietadiel piatej generácie, ako je F-35. Adaptívne motory budú schopné počas letu upravovať svoj nárast tlaku a pomer obtoku, aby získali maximálny ťah pri štarte a v boji, alebo maximálnu úsporu paliva v režime letu v plavbe.
Spoločnosť zdôrazňuje, že zavedenie rotujúcich dielov vyrobených z CMC do „najhorúcejších a najviac zaťažených“častí prúdového motora predstavuje významný prelom, pretože predtým technológia umožňovala používať CMC iba na výrobu stacionárnych dielov, napríklad plášť vysokotlakovej turbíny. Počas testov lopatky turbíny KMKM v motore F414 prešli 500 cyklami - od voľnobežných otáčok po vzletový ťah a späť.
Listy turbíny sú oveľa ľahšie ako konvenčné lopatky zo zliatiny niklu, čo umožnilo, aby kovové disky, ku ktorým sú pripevnené, boli menšie a ľahšie, uviedla spoločnosť.
„Prechod od zliatin niklu k rotujúcej keramike vo vnútri motora je skutočne veľkým skokom vpred. Ale je to čistá mechanika, “povedal Jonathan Blank, vedúci oddelenia CMC a polymérových spojív v spoločnosti GE Aviation. - Ľahšie čepele vytvárajú menšiu odstredivú silu. To znamená, že môžete zmenšiť kotúč, ložiská a ďalšie diely. KMKM umožnilo vykonať revolučné zmeny v konštrukcii prúdového motora “.
Cieľom programu AETD je zníženie špecifickej spotreby paliva o 25%, zvýšenie doletu o viac ako 30% a zvýšenie maximálneho ťahu o 10% v porovnaní s najpokročilejšími stíhačkami 5. generácie. "Jednou z najväčších výziev pri prechode od statických komponentov CMC k rotujúcim komponentom je pole stresu, v ktorom musia pracovať," povedal Dan McCormick, programový manažér Advanced Combat Engine spoločnosti GE Aviation. Zároveň dodal, že testovanie motora F414 prinieslo dôležité výsledky, ktoré budú použité v motore s adaptívnym cyklom. „Nízkotlakový lopatkový kotol CMC váži trikrát menej ako kovový kotúč, ktorý nahrádza, navyše v druhom ekonomickom režime nie je potrebné chladiť CMC list vzduchom. Čepeľ bude teraz aerodynamicky účinnejšia, pretože cez ňu nie je potrebné pumpovať všetok chladiaci vzduch. “
Materiály KMKM, v ktorých spoločnosť uvádza, že od začiatku prác na nich na začiatku 90. rokov investovala viac ako miliardu dolárov, odolávajú teplotám o stovky stupňov vyšším ako tradičné zliatiny niklu a vyznačujú sa vystužením z karbidu kremíka v keramickej matrici., čo zvyšuje jeho rázovú pevnosť a odolnosť proti prasknutiu.
Zdá sa, že spoločnosť GE vykonala na týchto lopatkách turbíny dosť tvrdú prácu. Niektoré mechanické vlastnosti KMKM sú skutočne veľmi skromné. Pevnosť v ťahu je napríklad porovnateľná s pevnosťou v ťahu medi a lacných zliatin hliníka, čo nie je príliš dobré pre diely, ktoré sú vystavené veľkým odstredivým silám. Okrem toho vykazujú nízke napätie pri pretrhnutí, to znamená, že sa pri pretrhnutí veľmi mierne predĺžia. Zdá sa však, že tieto nedostatky boli prekonané a nízka hmotnosť týchto materiálov rozhodne významne prispela k víťazstvu novej technológie.
Modulárne pancierovanie s nanokeramikou pre tank LEOPARD 2
Príspevok kompozitného brnenia
Napriek tomu, že ochranné technológie, ktoré sú kombináciou vrstiev kovu, polymérových kompozitov vystužených vláknami a keramiky, sú dobre zavedené, priemysel pokračuje vo vývoji stále komplexnejších kompozitných materiálov, ale mnohé detaily tohto procesu sú starostlivo skryté. Spoločnosť Morgan Advanced Materials je v tejto oblasti dobre známa a minulý rok vyhlásila na konferencii Armoured Vehicles XV v Londýne ocenenie za obrannú technológiu SAMAS. Podľa Morgana je ochrana SAMAS široko používaná na vozidlách britskej armády kompozitný materiál vystužený materiálmi ako S-2 Glass, E-Glass, aramid a polyetylén, potom tvarovaný do plechov a vytvrdzovaný pod vysokým tlakom: „Vlákna je možné kombinovať s hybridnými keramicko-kovovými materiálmi, ktoré spĺňajú špeciálne požiadavky na dizajn a výkon. “
Podľa Morgana môže pancier SAMAS s celkovou hrúbkou 25 mm, používaný na výrobu ochranných kapsúl posádky, znížiť hmotnosť svetlom chránených vozidiel o viac ako 1000 kg v porovnaní s vozidlami s oceľovou kapsulou. K ďalším výhodám patria jednoduchšie opravy s hrúbkou menšou ako 5 mm a inherentné vlastnosti tohto materiálu proti podšívke.
Explicitný pokrok spinelu
Podľa amerického námorného výskumného laboratória vývoj a výroba priehľadných materiálov na báze oxidu horečnatého a hlinitého (MgAI2O4), tiež súhrnne označovaných ako umelé spinely, zažíva boom. Vretienky nie sú dlho známe len svojou silou - 0,25 "hrubý spinel má rovnaké balistické vlastnosti ako 2,5" nepriestrelné sklo - ale aj náročnosťou výroby veľkých dielov s rovnomernou priehľadnosťou. Skupina vedcov z tohto laboratória však vynašla nový proces nízkoteplotného spekania vo vákuu, ktorý vám umožní získať diely s rozmermi obmedzenými iba veľkosťou lisu. Toto je zásadný prielom v porovnaní s predchádzajúcimi výrobnými postupmi, ktoré sa začali procesom tavenia pôvodného prášku v taviacom tégliku.
Jedným z tajomstiev nového postupu je rovnomerná distribúcia slinovacej prísady fluoridu lítneho (LiF), ktorá taví a maže zrná spinelu, aby sa počas spekania mohli rovnomerne rozdeľovať. Laboratórium namiesto suchého miešania práškov fluoridu lítneho a spinelu vyvinulo metódu na rovnomerné poťahovanie častíc spinelu fluoridom lítnym. To vám umožní výrazne znížiť spotrebu LiF a zvýšiť priepustnosť svetla až na 99% teoretickej hodnoty vo viditeľných a stredných infračervených oblastiach spektra (0,4-5 mikrónov).
Nový proces, ktorý umožňuje výrobu optiky v rôznych tvaroch vrátane plechov, ktoré sa pohodlne hodia na krídla lietadla alebo dronu, získala licencia od nemenovanej spoločnosti. Možné aplikácie pre spinel zahŕňajú pancierové sklo s hmotnosťou menšou ako polovica hmotnosti existujúceho skla, ochranné masky pre vojakov, optiku pre lasery novej generácie a multispektrálne sklá so senzormi. Pri sériovej výrobe napríklad okuliarov odolných proti prasknutiu pre smartfóny a tablety sa náklady na výrobky typu spinel výrazne znížia.
PERLUCOR - nový míľnik v systémoch ochrany proti guľkám a opotrebovaniu
CeramTec-ETEC vyvinul pred niekoľkými rokmi transparentnú keramiku PERLUCOR s dobrými vyhliadkami pre obranné aj civilné aplikácie. Vynikajúce fyzikálne, chemické a mechanické vlastnosti PERLUCORU boli hlavnými dôvodmi úspešného vstupu tohto materiálu na trh.
PERLUCOR má relatívnu priehľadnosť viac ako 90%, je trikrát až štyrikrát silnejší a tvrdší ako bežné sklo, tepelná odolnosť tohto materiálu je asi trikrát vyššia, čo mu umožňuje používať ho až do teploty 1600 ° C. Má extrémne vysokú chemickú odolnosť, čo umožňuje použitie s koncentrovanými kyselinami a zásadami. PERLUCOR má vysoký index lomu (1, 72), ktorý umožňuje vyrábať optické objektívy a optické prvky miniatúrnych rozmerov, to znamená získať zariadenia so silným zväčšením, ktoré sa nedá dosiahnuť pomocou polymérov alebo skla. Keramické dlaždice PERLUCOR majú štandardný rozmer 90x90 mm; CeramTec-ETEC však vyvinul technológiu na výrobu plechov komplexného tvaru založených na tomto formáte podľa špecifikácií zákazníka. Hrúbka panelov môže byť v špeciálnych prípadoch desatiny milimetra, ale spravidla je to 2 až 10 mm.
Vývoj ľahších a tenších systémov transparentnej ochrany pre obranný trh napreduje rýchlym tempom. Významný podiel na tomto procese má transparentná keramika spoločnosti SegamTes, ktorá je súčasťou ochranných systémov mnohých výrobcov. Pri testovaní podľa STANAG 4569 alebo APSD je zníženie hmotnosti rádovo 30-60 percent.
V posledných rokoch sa formuje ďalší smer vo vývoji technológií vyvinutých spoločnosťou SegatTes-ETEC. Okná vozidiel, najmä v skalnatých a púštnych oblastiach, ako je Afganistan, sú náchylné na nárazy kameňa a škrabance pri pohybe stieračov na piesočnom, prašnom čelnom skle. Tiež sa znižujú balistické vlastnosti nepriestrelných skiel, ktoré boli poškodené nárazmi kameňa. Počas nepriateľských akcií sú vozidlá s poškodeným sklom vystavené vážnym a nepredvídateľným rizikám. SegamTes-ETEC vyvinul skutočne inovatívne a originálne riešenie na ochranu skla pred týmto typom opotrebovania. Tenká vrstva (<1 mm) keramického povlaku PERLUCOR na povrchu predného skla pomáha úspešne odolávať takémuto poškodeniu. Táto ochrana je vhodná aj pre optické prístroje, ako sú teleskopy, šošovky, infračervené zariadenia a ďalšie senzory. Ploché aj zakrivené šošovky z čírej keramiky PERLUCOR predlžujú životnosť tohto vysoko hodnotného a citlivého optického zariadenia.
CeramTec-ETEC úspešne predstavil na DSEI 2015 v Londýne nepriestrelnú sklenenú výplň dverí a ochranný panel odolný voči poškriabaniu a kameňom.
Odolná a flexibilná nanokeramika
Flexibilita a odolnosť nie sú vlastnosťami, ktoré sú keramike vlastné, ale tím vedcov vedený profesorkou materiálových vied a mechaniky Juliou Greerovou z Kalifornského technologického inštitútu sa problému chopil. Vedci popisujú nový materiál ako „tvrdý, ľahký, regenerovateľný trojrozmerný keramický nanolát“. Toto je však rovnaký názov pre článok, ktorý Greer a jej študenti publikovali vo vedeckom časopise pred niekoľkými rokmi.
To, čo je skryté pod ním, najlepšie ilustruje kocka nanolatít z oxidu hlinitého s veľkosťou niekoľko desiatok mikrónov, odobratá elektrónovým mikroskopom. Pôsobením záťaže sa zmenší o 85% a po vybratí sa obnoví pôvodná veľkosť. Experimenty sa uskutočňovali aj so mriežkou pozostávajúcou z rúrok rôznych hrúbok, pričom najtenšie rúrky boli najsilnejšie a najelastickejšie. S hrúbkou steny trubice 50 nanometrov sa mriežka zrútila a s hrúbkou steny 10 nanometrov sa vrátila do pôvodného stavu - príklad toho, ako efekt veľkosti zvyšuje pevnosť niektorých materiálov. Teória to vysvetľuje skutočnosťou, že s poklesom veľkosti úmerne klesá počet defektov sypkých materiálov. Pri tejto architektúre mriežky dutých rúr je 99,9% objemu kocky vzduch.
Tím profesora Greera vytvára tieto drobné štruktúry spustením postupu podobného 3D tlači. Každý proces začína súborom CAD, ktorý poháňa dva lasery, ktoré „natierajú“štruktúru v troch rozmeroch a vytvrdzujú polymér v bodoch, kde sa lúče navzájom zosilňujú vo fáze. Nevytvrdený polymér vyteká zo vytvrdenej mriežky, ktorá sa teraz stáva substrátom na vytvorenie konečnej štruktúry. Vedci potom aplikujú oxid hlinitý na substrát pomocou metódy, ktorá presne kontroluje hrúbku povlaku. Nakoniec sa konce mriežky odrežú, aby sa odstránil polymér, pričom zostanú iba kryštálové mriežky dutých trubičiek oxidu hlinitého.
Pevnosť ocele, ale váži ako vzduch
Potenciál takto „upravených“materiálov, ktoré sú väčšinou objemové vzduchom, ale sú o to menej silné ako oceľ, je obrovský, ale ťažko pochopiteľný, preto profesor Greer uviedol niekoľko pozoruhodných príkladov. Prvý príklad, balóny, z ktorých sa čerpá hélium, ale zároveň si zachovávajú svoj tvar. Druhé, budúce lietadlo, ktorého konštrukcia váži toľko, koľko váži jeho manuálny model. Najprekvapujúcejšie je, že keby bol slávny most Golden Gate vyrobený z takýchto nanolatít, všetky materiály potrebné na jeho stavbu by bolo možné umiestniť (okrem vzduchu) na ľudskú dlaň.
Rovnako ako obrovské štrukturálne výhody týchto húževnatých, ľahkých a tepelne odolných materiálov vhodných pre nespočetné množstvo vojenských aplikácií, ich vopred určené elektrické vlastnosti môžu znamenať revolúciu v skladovaní a generovaní energie: „Tieto nanostruktúry sú veľmi ľahké, mechanicky stabilné a zároveň obrovské v veľkosť. povrchov, to znamená, že ich môžeme použiť v rôznych aplikáciách elektrochemického typu. “
Patria sem mimoriadne účinné elektródy pre batérie a palivové články, ktoré sú ceneným cieľom pre autonómne napájacie zdroje, prenosné a prenosné elektrárne, ako aj skutočný prelom v technológii solárnych článkov.
"V tomto ohľade je možné pomenovať aj fotonické kryštály," povedal Greer. "Tieto štruktúry vám umožňujú manipulovať so svetlom tak, aby ste ho mohli úplne zachytiť, čo znamená, že môžete vyrábať oveľa efektívnejšie solárne články - zachytíte všetko svetlo a nebudete mať stratu odrazu."
"To všetko naznačuje, že kombinácia efektu veľkosti v nanomateriáloch a štruktúrnych prvkoch nám umožňuje vytvárať nové triedy materiálov s vlastnosťami, ktoré neboli dosiahnuteľné," povedal profesor Greer z Európskej organizácie pre jadrový výskum vo Švajčiarsku. „Najväčšou výzvou, ktorej čelíme, je, ako sa zvýšiť z nano na veľkosť nášho sveta.“
Priemyselná transparentná keramická ochrana
Spoločnosť IBD Deisenroth Engineering vyvinula priehľadné keramické brnenie s balistickým výkonom porovnateľným s nepriehľadným keramickým pancierom. Toto nové priehľadné pancierovanie je o 70% ľahšie ako pancierové sklo a je možné ho zostaviť do štruktúr s rovnakými charakteristikami viacnásobného nárazu (schopnosť odolávať mnohonásobným nárazom) ako nepriehľadné pancierovanie. To umožňuje nielen dramaticky znížiť hmotnosť vozidiel s veľkými oknami, ale aj vyplniť všetky balistické medzery.
Na získanie ochrany podľa STANAG 4569 úroveň 3 má nepriestrelné sklo povrchovú hustotu približne 200 kg / m2. Pri typickej ploche okna nákladného auta tri metre štvorcové bude hmotnosť nepriestrelných skiel 600 kg. Pri výmene takýchto nepriestrelných skiel za keramiku IBD bude zníženie hmotnosti o viac ako 400 kg. Transparentná keramika od IBD je ďalším vývojom keramiky IBD NANOTech. IBD sa podarilo vyvinúť špeciálne procesy lepenia, ktoré sa používajú na montáž keramických dlaždíc („mozaikové priehľadné pancierovanie“) a potom tieto zostavy laminovať na silné konštrukčné vrstvy, aby vytvorili veľké okenné panely. Vďaka vynikajúcim vlastnostiam tohto keramického materiálu je možné vyrábať priehľadné pancierové panely s výrazne nižšou hmotnosťou. Zadná strana v kombinácii s laminátom z prírodného NANO vlákna ďalej zvyšuje balistický výkon novej transparentnej ochrany vďaka jej väčšej absorpcii energie.
Izraelská spoločnosť OSG (Oran Safety Glass), reagujúca na rastúcu mieru nestability a napätia na celom svete, vyvinula široký sortiment nepriestrelných sklenených výrobkov. Sú navrhnuté špeciálne pre obranný a civilný sektor, armádu, polovojenské jednotky, vysoko rizikové civilné povolania, stavebný a automobilový priemysel. Spoločnosť uvádza na trh nasledujúce technológie: priehľadné ochranné riešenia, riešenia balistickej ochrany, ďalšie pokročilé priehľadné pancierové systémy, digitálne vizuálne okná, okná pre núdzové východy, keramické okná s technológiou farebného displeja, integrované systémy smerových svetiel, sklenené štíty odolné voči nárazom, a nakoniec, technológia proti trieskam ADI.
Transparentné materiály OSG sú neustále testované v skutočných životných situáciách: odpudzujú fyzické a balistické útoky, zachraňujú životy a chránia majetok. Všetky pancierové priehľadné materiály boli vyrobené v súlade s hlavnými medzinárodnými normami.
