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.


Внутренний контур двигателя ADVENT (ADaptive Versatile ENgine Technology - технология самоприспосабливающегося универсального двигателя) на испытательном стенде на заводе компании GE в Огайо


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