Исследования и разработки в области керамических материалов
Военные машины традиционно изготавливались из тяжелой, дорогостоящей, но высокопрочной броневой стали. Современные керамические композиционные материалы все чаще применяются в качестве ненесущей защиты боевых машин. Основными преимуществами таких материалов являются значительно меньшая стоимость, улучшенная защита и снижение массы более чем в два раза. Рассмотрим современные основные керамические материалы, применяемые сегодня для баллистической защиты.
Благодаря своей способности выдерживать очень высокие температуры, существенно большей чем у металлов твердости, высочайшей удельной прочности и удельной жесткости, керамика широко используется для изготовления облицовки двигателей, компонентов ракет, режущих кромок инструментов, специальной прозрачной и непрозрачной защиты, что, безусловно, является одними из приоритетных направлений развития систем военного назначения. Впрочем, в перспективе область ее применения должна значительно расшириться, поскольку в рамках научных исследований и разработок, проводимых во многих странах мира, ведется поиск новых способов повышения пластичности, трещиностойкости и других желательных механических свойств за счет комбинации керамической основы с армирующими волокнами в так называемых керамоматричных композиционных материалах (КМКМ). Также новые технологии изготовления позволят наладить массовое производство очень прочных, высококачественных прозрачных изделий сложной формы и больших размеров из материалов, пропускающих видимые и инфракрасные волны. Кроме того, создание новых структур с использованием нанотехнологий позволит получить прочные и легкие, сверхжаропрочные, химически стойкие и в тоже время фактически неразрушающиеся материалы. Подобная комбинация свойств сегодня считается взаимоисключающей и тем самым очень привлекательной для военного применения.
При изготовлении патрульных бронемашин MASTIFF используется броня из композиционной керамики, а также традиционные металлы
Керамоматричные композиционные материалы (КМКМ)
Подобно своим полимерным аналогам КМКМ состоят из вещества-основы, называемого матрицей, и армирующего наполнителя, представляющего собой частицы или волокна другого материала. Волокна могут быть непрерывными или дискретными, случайным образом ориентированными, уложенными под точными углами, переплетеными особым образом для получения повышенной прочности и жесткости в заданных направлениях или их равномерного распределения по всем направлениям. Однако, какой не была комбинация материалов или ориентация волокон, связь между матрицей и армирующим компонентом критична для свойств материала. Поскольку полимеры имеют меньшую жесткость по сравнению с армирующим их материалом, то связь между матрицей и волокнами, как правило, сильна настолько, что позволяет материалу сопротивляться изгибу как единому целому. Впрочем, в случае с КМКМ матрица может быть жестче армирующих волокон так, что связующая сила, оптимизированная подобным образом, чтобы позволить небольшую «делокализацию» волокна и матрицы, помогает поглотить энергию удара, например, и предотвратить развитие трещин, которое бы в ином случае привело бы к хрупкому разрушению и раскалыванию. Это делает КМКМ гораздо более вязкими по сравнению с чистой керамикой, а это важнейшее из свойств высоконагруженных движущихся деталей, например, деталей реактивных двигателей.
Легкие и горячие турбинные лопатки
В феврале 2015 года компания GE Aviation объявила об успешных испытаниях того, что она называет «первым в мире нестатичным комплектом деталей из КМКМ для авиационного двигателя», хотя компания при этом не раскрыла материалы, используемые для матрицы и армирующего материала. Речь идет о лопатках турбины низкого давления в экспериментальном образце турбовентиляторного двигателя F414, разработка которых призвана обеспечить дальнейшее подтверждение соответствия материала заявленным требованиям работы при высоких ударных нагрузках. Эта деятельность ведется в рамках программы разработки демонстрационного образца самоприспосабливающегося двигателя следующего поколения AETD (Adaptive Engine Technology Demonstrator), в которой компания GE сотрудничает с исследовательской лабораторией американских ВВС. Цель программы AETD - предоставить ключевые технологии, которые могли бы быть реализованы в двигателях истребителей шестого поколения и начиная с середины 2020-х годов в двигателях машин пятого поколения, например F-35. Адаптивные двигатели смогут регулировать свою степень повышения давления и степень двухконтурности в полете с целью получения максимальной тяги при взлете и в бою или максимальной топливной экономичности в крейсерском режиме полета.
В компании подчеркивают, что введение вращающихся деталей из КМКМ в «самые горячие и тяжелонагруженные» части реактивного двигателя представляет собой значительный прорыв, так как ранее технология позволяла использовать КМКМ только для изготовления неподвижных деталей, например, бандажа турбины высокого давления. Во время испытаний лопатки турбины из КМКМ в двигателе F414 прошли через 500 циклов - от холостых оборотов до взлетной тяги и обратно.
Как сообщили в компании, турбинные лопатки гораздо легче обычных лопаток из никелевых сплавов, что позволило металлические диски, к которым они крепятся, сделать меньше и легче.
«Переход от никелевых сплавов к вращающейся керамике внутри двигателя - это действительно большой скачок. Но это чистая механика, - сказал Джонатан Бланк, глава направления КМКМ и полимерных связующих в компании GE Aviation. - Более легкие лопатки создают меньшую центробежную силу. Это означает, что вы можете уменьшить диск, подшипники и другие детали. КМКМ позволили внести революционные изменения в конструкцию реактивного двигателя».
Целью программы AETD является снижение на 25% удельного расхода топлива, увеличение дальности полета более чем на 30% и увеличение максимальной тяги на 10% по сравнению с самыми продвинутыми истребителями 5-го поколения. «Одной основных проблем при переходе от статичных компонентов из КМКМ к вращающимся компонентам можно назвать поле напряжений, в котором они должны работать», - заметил руководитель программы по продвинутому боевому двигателю в компании GE Aviation Дэн Маккормик. При этом он добавил, что испытания двигателя F414 позволили получить важные результаты, которые будут использованы в двигателе адаптивного цикла. «Лопатка турбины низкого давления из КМКМ весит в три раза меньше металлической лопатки, которую она заменяет, кроме того, во втором экономичном режиме нет необходимости охлаждать воздухом лопатку из КМКМ. Лопатка теперь будет более эффективной с аэродинамической точки зрения, поскольку нет необходимости нагнетать весь этот охлаждающий воздух через нее».
Материалы КМКМ, в которые, по данным компании, она инвестировала более миллиарда долларов с тех пор как начала работу над ними в начале 90-х годов, могут выдерживать температуры на сотни градусов выше, чем традиционные никелевые сплавы, и отличаются армированием карбидокремниевыми волокнами керамической матрице, что повышает ее ударную вязкость и трещиностойкость.
Компания GE, по всей видимости, довольно серьезно потрудилась над этими турбинными лопатками. Ведь некоторые механические свойства КМКМ весьма скромные. Например, предел прочности при растяжении сравним с пределом прочности медных и дешевых алюминиевых сплавов, что не совсем хорошо для деталей, к которым прилагаются большие центробежные силы. Кроме того, они демонстрируют низкую величину деформации при разрыве, то есть при разрушении они удлиняются очень незначительно. Впрочем, эти недостатки, кажется, были преодолены, а низкая масса этих материалов определенно внесла свой важный вклад в победу новой технологии.
Внутренний контур двигателя ADVENT (ADaptive Versatile ENgine Technology - технология самоприспосабливающегося универсального двигателя) на испытательном стенде на заводе компании GE в Огайо
Модульная броня с нанокерамикой для танка LEOPARD 2
Вклад композитной брони
Хотя технологии защиты, представляющие собой комбинацию слоев металла, армированных волокном полимерных композитов и керамики, хорошо освоены, промышленность продолжает разрабатывать все более сложные композиционные материалы, но при этом многие детали этого процесса тщательно скрываются. В этой области хорошо известна компания Morgan Advanced Materials, объявившая в прошлом году о получении награды на конференции Armoured Vehicles XV в Лондоне за технологию своей защиты САМАС. По данным компании Morgan, широко используемая на машинах британской армии защита САМАС, представляет собой композиционный материал, усиленный такими материалами как S-2 Glass, E-Glass, арамид и полиэтилен, затем сформированный в листы и отвержденный под высоким давлением: «Волокна могут комбинироваться с гибридными керамо-металлическими материалами с целью соответствия особым требованиям к конструкции и характеристикам».
По данным компании Morgan, броня САМАС общей толщиной 25 мм, используемая для изготовления защитных капсул экипажа, может снизить массу легких защищенных машин более чем на 1000 кг по сравнению с машинами со стальной капсулой. К другим преимуществам относятся упрощение ремонта при увеличении толщины менее чем на 5 мм и присущие этому материалу свойства противоосколочного подбоя.
Явный прогресс шпинели
По данным Научно-исследовательской лаборатории ВМС США, бурно развивается разработка и производство прозрачных материалов на основе алюминиевокислого магния (MgAI2O4), также известных под общим названием искусственные шпинели. Шпинели давно известны не только своей прочностью - шпинель толщиной 0,25 дюйма имеет такие же баллистические характеристики, что и 2,5 дюйма пуленепробиваемого стекла, - но и сложностью изготовления деталей больших размеров с однородной прозрачностью. Впрочем, группа ученых из этой лаборатории изобрела новый процесс низкотемпературного спекания в вакууме, который позволяет получать детали размерами, ограниченными только размерами пресса. Это серьезный прорыв по сравнению с предыдущими процессами изготовления, ведущими свое начало с процесса расплавления исходного порошка в плавильном тигеле.
Горячий пресс в лаборатории шпинели Научно-исследовательской лаборатории ВМС США
Одним из секретов нового процесса является равномерное распределение спекающей добавки из фторида лития (LiF), которая расплавляет и «смазывает» зерна шпинели для того, чтобы они могли равномерно распределяться во время спекания. Вместо сухого смешивания порошков фторида лития и шпинели лаборатория разработала способ равномерного покрытия частиц шпинели фторидом лития. Это позволяет существенно сократить расход LiF и повысить светопропускаемость до 99% от теоретического значения в видимой и в средней инфракрасной области спектра (0,4-5 микрон).
Новый процесс, позволяющий наладить производство оптики различных форм, включая листы, комфорные с крыльями самолета или беспилотника, был лицензирован неназванной компанией. Возможные применения шпинели включают бронированные стекла с массой двое меньшей, чем масса существующих сортов стекла, защитные маски для солдат, оптику для лазеров следующего поколения и мультиспектральные сенсорные стекла. При массовом производстве, например, трещиностойких стекол для смартфонов и планшетов, стоимость изделий из шпинели существенно снизится.
PERLUCOR - новая веха в системах защиты от пуль и износа
Испытания на устойчивость к царапинам
Компания CeramTec-ETEC несколько лет назад разработала прозрачную керамику PERLUCOR, имеющую хорошие перспективы применения как в оборонной, так и в гражданской сферах. Превосходные физические химические и механические свойства PERLUCOR стали основными причинами для успешного вхождения этого материала в рынок.
PERLUCOR имеет относительную прозрачность свыше 90%, в три-четыре раза прочнее и тверже обычного стекла, термостойкость этого материала примерно в три раза выше, что позволяет применять его при температурах до 1600°С, также он обладает чрезвычайно высокой химической стойкостью, это позволяет использовать его с концентрированными кислотами и щелочами. PERLUCOR имеет высокий показатель преломления (1,72) что позволяет изготавливать оптические объективы и оптические элементы миниатюрных размеров, то есть получать приборы с мощным увеличением, чего невозможно достигнуть с полимерами или стеклом. Плитки из керамики PERLUCOR имеют стандартный размер 90x90 мм; впрочем, компания CeramTec-ETEC разработала технологию получения на основе этого формата листов сложной формы по спецификациям заказчика. Толщина панелей может в особых случаях составлять десятые доли миллиметра, но, как правило, это 2-10 мм.
Развитие более легких и более тонких систем прозрачной защиты для оборонного рынка идет быстрыми темпами. Немалый вклад в этот процесс вносит прозрачная керамика компании СегаmТес, которая входит в состав систем защиты многих производителей. Снижение массы таких систем, прошедших испытания в соответствии со стандартами STANAG 4569 или APSD, составляет порядка 30-60 процентов.
В последние годы оформилось еще одно направление развития технологий, разработанных СегатТес-ЕТЕС. Окна транспортных средств, особенно в скалистой и пустынной местности, например в Афганистане, страдают от ударов камней, а также царапин, образующихся в результате движения щеток стеклоочистителей по покрытому песком и пылью лобовому стеклу. Также снижаются баллистические характеристики пулестойких стекол, получивших повреждения от ударов камней. Во время боевых действий машины с поврежденными стеклами подвергаются серьезному и непредсказуемому риску. СегаmТес-ЕТЕС разработала действительно инновационное и оригинальное решение для защиты стекол от подобного типа износа. Нанесение тонкого слоя (<1 мм) керамического покрытия PERLUCOR на поверхность лобового стекла помогает успешно противостоять подобным повреждениям. Подобная защита подходит и для оптических приборов, например телескопов, объективов, инфракрасного оборудования и других сенсоров. Плоские, а также изогнутые линзы, изготовленные из прозрачной керамики PERLUCOR, продлевают срок службы этого очень ценного и чувствительного оптического оборудования.
CeramTec-ETEC с успехом представляла на лондонской выставке DSEI 2015 дверную панель из пуленепробиваемого стекла и защитную панель устойчивую к царапинам и камням.
Прозрачные системы защиты Sapphire компании Saint-Gobain соответствуют различным уровням баллистической защиты и при этом имеют меньшие массу и толщину по сравнению с обычным пуленепробиваемым стеклом
Прочная и гибкая нанокерамика
Гибкость и упругость - это не те качества, которые присущи керамике, однако группа ученых под руководством профессора материаловедения и механики Джулии Грир из Калифорнийского технологического института взялась за решение этой проблемы. Исследователи описывают новый материал как «прочные, легкие, восстанавливающиеся трехмерные керамические нанорешетки». Впрочем, так же называется статья, опубликованная Грир и ее студентами в научном журнале пару лет назад.
Что под этим скрывается, лучше всего иллюстрирует куб из нанорешеток оксида алюминия размером несколько десятков микрон, снятый электронным микроскопом. Под действием нагрузки он сжимается на 85% и при ее снятии восстанавливается до своих оригинальных размеров. Проводились также эксперименты с решетками, состоящими из трубок разной толщины, при этом самые тонкие трубки оказались самыми прочными и эластичными. При толщине стенок трубок 50 нанометров решетка разрушалась а при толщине стенок 10 нанометров возвращалась в исходное состояние - пример того, как размерный эффект повышает прочность некоторых материалов. Теория объясняет это тем, что при уменьшении размеров пропорционально уменьшается число дефектов в массивных материалах. При такой архитектуре решетки из полых трубок 99,9% объема куба составляет воздух.
Команда профессора Грира создает эти крошечные структуры, запуская процесс подобный 3D-печати. Каждый процесс начинается с CAD-файла, который управляет двумя лазерами, «рисующими» структуру в трех измерениях, отверждая полимер в точках, где лучи усиливают друг друга синфазно. Неотвержденный полимер вытекает из отвержденной решетки, которая теперь становится подложкой для формирования окончательной структуры. Далее на подложку исследователи наносят оксид алюминия с помощью метода, позволяющего точно контролировать толщину покрытия. Наконец, концы решетки обрезаются с целью удаления полимера, в результате остается только кристаллическая решетка из полых трубок из оксида алюминия.
По словам профессора из Калифорнийского технологического института Джулия Грир, нанорешетки имеют сверхнизкую массу и отличную механическую устойчивость и при этом огромную площадь поверхности
Прочность стали, а весит как воздух
Потенциал таких «сконструированных» материалов, которые по объему в основном состоят из воздуха, но тем менее прочны как сталь, громаден, но труден для осмысления, поэтому профессор Грир привела несколько ярких примеров. Первый пример, воздушные шары, из которых откачан гелий, но при этом сохраняющие свою форму. Второй, будущий самолет, чья конструкция весит столько, сколько весит его ручная модель. Что более всего удивительно, будь знаменитый мост «Золотые ворота» изготовлен из подобных нанорешеток, все материалы необходимые для его строительства можно было бы разместить (без учета воздуха) на человеческой ладони.
Точно также как огромные структурные преимущества этих прочных, легких и жаростойких материалов, пригодных для бесчисленных военных приложений, так и их предопределяемые электрические свойства могли бы совершить революцию в хранении и выработке энергии: «Эти наноконструкции имеют очень небольшую массу, механическую устойчивость и одновременно огромную площадь поверхности, то есть мы можем использовать во множестве приложений электрохимического типа».
К ним можно отнести чрезвычайно эффективные электроды для аккумуляторов и топливных элементов, они являются заветной целью для автономных источников питания, переносных и возимых энергоустановок, а также реальным прорывом в технологии солнечных батарей.
«Также в этой связи можно назвать фотонные кристаллы, - сказала Грир. - Эти структуры позволяют манипулировать со светом таким образом, что вы может полностью его захватить, то есть вы можете изготавливать гораздо более эффективные солнечные элементы - вы захватываете весь свет и у вас нет потерь на отражение».
«Это всё говорит о том что, комбинация размерного эффекта в наноматериалах и структурных элементов позволяет нам создавать новые классы материалов со свойствами доселе не достижимыми, - прозвучало в докладе профессора Грир в Европейской организации по ядерным исследованиям в Швейцарии. - Самая большая проблема, которая стоит перед нами, как увеличить масштаб и перейти от нано к размерам нашего мира».
В системах композитной защиты керамика, как правило, устанавливается в качестве внешнего слоя, предпочтительно перпендикулярно ожидаемой угрозе. Полимерные волокна из полиарамида, полиэтилена или полипропилена формируют композитную подложку. Повышение жесткости и конструктивной прочности отдельных полимерных слоев достигается за счет пропитки и отверждения связующего материала. Правильный выбор связующих материалов, например пластифицированного каучука, полиуретана или эпоксидных смол приводит к высокой склероскопической твердости (по Шору) и, следовательно, желаемым механическим свойствам, которые могут быть оптимизированы под те или иные угрозы
Промышленная прозрачная керамическая защита
Компания IBD Deisenroth Engineering разработала прозрачную керамическую защиту с баллистическими характеристиками, сравнимыми с характеристиками непрозрачной керамической брони. Эта новая прозрачная защита легче примерно на 70% бронированного стекла и может компоноваться в структуры с такими же многоударными характеристиками (способность выдерживать множественные попадания) как у непрозрачной брони. Это позволяет не только резко уменьшить массу транспортных средств с большими окнами, но и закрыть все баллистические бреши.
Для получения защиты, соответствующей стандарту STANAG 4569 Уровень 3 бронестекло имеет поверхностную плотность примерно 200 кг/м2. При типичной площади окон грузового автомобиля три квадратных метра масса бронестекол составит 600 кг. При замене таких бронестекол на керамику IBD снижение массы составит более 400 кг. Прозрачная керамика от IBD является дальнейшим развитием керамики IBD NANOTech. Компания IBD преуспела в разработке специальных технологических процессов связывания, которые применяются для сборки керамических плиток («мозаичная прозрачная броня») и последующего ламинирования этих сборок с прочными несущими слоями с целью формирования больших оконных панелей. Благодаря выдающимся характеристикам этого керамического материала возможно изготовление прозрачных бронепанелей со значительно меньшей массой. Подложка в комбинации со слоистым материалом Natural NANO-Fibre способствует дальнейшему повышению баллистических характеристик новой прозрачной защиты из-за ее большего энергопоглощения.
Новая технология ADI от компании OSG обеспечивает безосколочную среду внутри машины, при этом она позволяет значительно увеличить ожидаемый срок службы прозрачной брони и как результат продлить гарантию на окна из этого стекла
Израильская компания OSG (Oran Safety Glass), реагируя на повышения уровня нестабильности и напряженности во всем мире, разработала широкую линейку изделий из бронестекла. Они специально предназначены для оборонной и гражданской сфер, для военных, военизированных формирований, гражданских профессий с высоким риском, строительной и автомобильной отраслей. Компания продвигает на рынок следующие свои технологии: решения прозрачной защиты, решения баллистической защиты, дополнительные продвинутые системы из прозрачной брони, цифровые окна Visual Window, окна аварийного выхода, керамические окна с технологией цветного дисплея, интегрированные световые индикаторные системы, стеклянные щитки, стойкие к ударам камней, и, наконец, противоосколочную технологию ADI.
Прозрачные материалы компании OSG постоянно испытываются в реальных жизненных ситуациях: отражение физических и баллистических атак, спасение жизней и защита собственности. Все бронированные прозрачные материалы были созданы в соответствии с основными международными стандартами.
Использованы материалы:
www.shephardmedia.com
www.geaviation.com
www.osg.co.il
www.morganadvancedmaterials.com
www.nrl.navy.mil
www.ceramtec.com
www.caltech.edu
www.ibd-deisenroth-engineering.de
www.saint-gobain.com
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
Информация