Vojenská vozidla jsou tradičně vyráběna z těžké, drahé, ale vysokopevnostní pancéřové oceli. Moderní keramické kompozitní materiály se stále častěji používají jako nenosná ochrana pro bojová vozidla. Hlavními výhodami takových materiálů jsou výrazně nižší náklady, zlepšená ochrana a snížení hmotnosti o více než polovinu. Zvažte moderní základní keramické materiály, které se dnes používají k balistické ochraně
Díky své schopnosti odolat velmi vysokým teplotám, výrazně vyšším než je teplota kovů, tvrdosti, nejvyšší specifické pevnosti a specifické tuhosti, je keramika široce používána pro výrobu obložení pro motory, raketové součásti, řezné hrany nástrojů, speciální transparentní a neprůhledné štíty, které samozřejmě patří k prioritním oblastem rozvoje vojenských systémů. V budoucnu by se však rozsah jeho aplikace měl výrazně rozšířit, protože v rámci výzkumu a vývoje prováděného v mnoha zemích světa hledají nové způsoby zvyšování plasticity, odolnosti proti trhlinám a dalších žádoucích mechanických vlastností kombinace keramického podkladu s vyztužujícími vlákny v takzvané keramické matrici.kompozitních materiálech (KMKM). Nové výrobní technologie také umožní hromadnou výrobu velmi trvanlivých, vysoce kvalitních transparentních produktů složitých tvarů a velkých velikostí z materiálů, které přenášejí viditelné a infračervené vlny. Vytvoření nových struktur pomocí nanotechnologií navíc umožní získat trvanlivé a lehké, odolné proti přehřátí, chemicky odolné a současně prakticky nezničitelné materiály. Tato kombinace vlastností je dnes považována za vzájemně se vylučující, a proto velmi atraktivní pro vojenské aplikace.
Kompozitní materiály s keramickou matricí (KMKM)
Stejně jako jejich polymerní analogy se CMC skládají ze základní látky, nazývané matrice, a vyztužujícího plniva, což jsou částice nebo vlákna jiného materiálu. Vlákna mohou být spojitá nebo diskrétní, náhodně orientovaná, položená v přesných úhlech, propletená zvláštním způsobem pro získání zvýšené pevnosti a tuhosti v daných směrech nebo rovnoměrně rozložená ve všech směrech. Bez ohledu na kombinaci materiálů nebo orientaci vláken je vazba mezi matricí a výztužnou složkou rozhodující pro vlastnosti materiálu. Protože jsou polymery méně tuhé než materiál, který je zpevňuje, je vazba mezi matricí a vlákny obvykle dostatečně silná, aby materiál odolával ohybu jako celku. V případě CMCM však může být matrice tužší než výztužná vlákna, takže spojovací síla, podobně optimalizovaná tak, aby umožňovala mírnou delokalizaci vlákna a matrice, pomáhá například absorbovat energii nárazu a zabránit vzniku trhlin to by jinak vedlo ke křehké destrukci a rozštěpení. Díky tomu je CMCM mnohem viskóznější ve srovnání s čistou keramikou, a to je nejdůležitější z vlastností vysoce zatížených pohyblivých částí, například částí proudových motorů.
Lehké a horké lopatky turbíny
V únoru 2015 společnost GE Aviation oznámila úspěšné zkoušky toho, čemu říká „první nestatická sada CMC na světě pro letecký motor na světě“, přestože materiály použité pro materiál matrice a výztuže nezveřejnila. Hovoříme o nízkotlakých lopatkách turbíny v experimentálním modelu turbovrtulového motoru F414, jehož vývoj má poskytnout další potvrzení shody materiálu s deklarovanými požadavky na provoz při vysokých rázových zatíženích. Tato aktivita je součástí programu Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) Next Generation Self-Adaptive Engine Demonstration Program, ve kterém GE spolupracuje s americkou výzkumnou laboratoří leteckých sil. Cílem programu AETD je poskytnout klíčové technologie, které by mohly být implementovány v motorech stíhačů šesté generace a počínaje polovinou roku 2020 v motorech letadel páté generace, jako je F-35. Adaptivní motory budou moci během letu upravovat svůj vzestup tlaku a poměr obtoku, aby dosáhly maximálního tahu při vzletu a v boji nebo maximální spotřeby paliva v režimu letového letu.
Společnost zdůrazňuje, že zavedení rotujících dílů vyrobených z CMC do „nejžhavějších a nejvíce zatížených“částí proudového motoru představuje významný průlom, protože dříve technologie umožňovala používat CMC pouze pro výrobu stacionárních dílů, například plášť vysokotlaké turbíny. Během testů prošly lopatky turbíny KMKM v motoru F414 500 cyklů - od volnoběhu po vzletový tah a zpět.
Lopatky turbíny jsou mnohem lehčí než běžné listy ze slitiny niklu, což umožnilo, aby kovové disky, ke kterým jsou připojeny, byly menší a lehčí, uvedla společnost.
"Přechod od slitin niklu k rotující keramice uvnitř motoru je opravdu velkým skokem vpřed." Ale je to čistá mechanika, “řekl Jonathan Blank, vedoucí CMC a polymerových pojiv v GE Aviation. - Lehčí čepele vytvářejí méně odstředivé síly. To znamená, že můžete zmenšit kotouč, ložiska a další součásti. KMKM umožnilo provést revoluční změny v konstrukci proudového motoru “.
Cílem programu AETD je snížení specifické spotřeby paliva o 25%, zvýšení doletu o více než 30% a zvýšení maximálního tahu o 10% ve srovnání s nejpokročilejšími stíhači 5. generace. "Jednou z největších výzev při přechodu od statických komponent CMC k rotujícím komponentám je pole napětí, ve kterém musí pracovat," řekl Dan McCormick, programový manažer Advanced Combat Engine společnosti GE Aviation. Zároveň dodal, že testování motoru F414 přineslo důležité výsledky, které budou použity v motoru s adaptivním cyklem. „Nízkotlaká lopatka turbíny CMC váží třikrát méně než kovová lopatka, kterou nahrazuje, navíc v druhém ekonomickém režimu není nutné lopatku CMC chladit vzduchem. Čepel bude nyní aerodynamicky účinnější, protože není nutné přes ni pumpovat veškerý tento chladicí vzduch. “
Materiály KMKM, do nichž společnost uvádí, že od začátku prací na nich na počátku 90. let investovala více než miliardu dolarů, vydrží teploty o stovky stupňů vyšší než tradiční slitiny niklu a vyznačují se vyztužením vlákny karbidem křemíku v keramické matrici., což zvyšuje jeho rázovou pevnost a odolnost proti prasknutí.
Zdá se, že GE na těchto lopatkách turbíny odvedla docela tvrdou práci. Některé mechanické vlastnosti KMKM jsou skutečně velmi skromné. Například pevnost v tahu je srovnatelná s pevností v tahu mědi a levných slitin hliníku, což není příliš dobré pro součásti, které jsou vystaveny velkým odstředivým silám. Kromě toho vykazují při přetržení nízké napětí, to znamená, že se při přetržení velmi mírně prodlužují. Zdá se však, že tyto nedostatky byly překonány a nízká hmotnost těchto materiálů rozhodně významně přispěla k vítězství nové technologie.
Modulární pancíř s nanokeramikou pro tank LEOPARD 2
Příspěvek kompozitního brnění
Ačkoli ochranné technologie, které jsou kombinací vrstev kovu, polymerních kompozitů vyztužených vlákny a keramiky, jsou dobře zavedené, průmysl pokračuje ve vývoji stále složitějších kompozitních materiálů, ale mnoho detailů tohoto procesu je pečlivě skryto. Společnost Morgan Advanced Materials je v oboru dobře známá a loni na londýnské konferenci Armored Vehicles XV vyhlásila ocenění za obrannou technologii SAMAS. Podle Morgana je ochrana SAMAS široce používaná u vozidel britské armády kompozitním materiálem vyztuženým materiály, jako jsou S-2 Glass, E-Glass, aramid a polyethylen, poté vytvarovaný do listů a vytvrzený pod vysokým tlakem: „Vlákna lze kombinovat s hybridními keramicko-kovovými materiály, které splňují speciální požadavky na design a výkon. “
Podle Morgana může brnění SAMAS o celkové tloušťce 25 mm, používané k výrobě ochranných kapslí posádky, snížit hmotnost lehkých chráněných vozidel o více než 1000 kg ve srovnání s vozidly s ocelovou kapslí. Mezi další výhody patří snazší opravy s tloušťkou menší než 5 mm a inherentní vlastnosti tohoto materiálu proti podšívce.
Explicitní pokrok spinelu
Podle americké námořní výzkumné laboratoře vývoj a výroba transparentních materiálů na bázi oxidu hořečnatého a hliníku (MgAI2O4), souhrnně známých také jako umělé spinely, je na vzestupu. Spinelly jsou již dlouho známé nejen svou pevností - 0,25 "tlustý spinel má stejné balistické vlastnosti jako 2,5" neprůstřelné sklo - ale také obtížností výroby velkých dílů s jednotnou průhledností. Skupina vědců z této laboratoře však vynalezla nový postup pro nízkoteplotní slinování ve vakuu, který umožňuje získat díly s rozměry omezenými pouze velikostí lisu. Jedná se o zásadní průlom ve srovnání s předchozími výrobními postupy, které začaly procesem tavení původního prášku v tavicím kelímku.
Jedním z tajemství nového procesu je rovnoměrná distribuce slinovací přísady fluoridu lithného (LiF), která taví a maže zrna spinelu tak, aby mohla být během slinování rovnoměrně rozložena. Namísto suchého míchání prášků fluoridu lithného a spinelu vyvinula laboratoř způsob rovnoměrného potahování částic spinelu fluoridem lithným. To vám umožní výrazně snížit spotřebu LiF a zvýšit propustnost světla až na 99% teoretické hodnoty ve viditelných a středních infračervených oblastech spektra (0,4–5 mikronů).
Nový proces, který umožňuje výrobu optiky v různých tvarech, včetně listů, které pohodlně zapadají do křídel letadla nebo dronu, získal licenci od nejmenované společnosti. Možné aplikace pro spinel zahrnují pancéřové sklo vážící méně než polovinu hmotnosti stávajícího skla, ochranné masky pro vojáky, optiku pro lasery příští generace a multispektrální senzorové brýle. Při sériové výrobě, například brýlí odolných proti prasknutí pro smartphony a tablety, se náklady na produkty spinel výrazně sníží.
PERLUCOR - nový milník v systémech ochrany proti kulkám a opotřebení
Společnost CeramTec-ETEC před několika lety vyvinula transparentní keramiku PERLUCOR s dobrými vyhlídkami pro obranné i civilní aplikace. Vynikající fyzikální, chemické a mechanické vlastnosti PERLUCORU byly hlavními důvody úspěšného vstupu tohoto materiálu na trh.
PERLUCOR má relativní průhlednost přes 90%, je třikrát až čtyřikrát silnější a tvrdší než běžné sklo, tepelná odolnost tohoto materiálu je asi třikrát vyšší, což umožňuje jeho použití při teplotách až 1600 ° C, ale také má extrémně vysokou chemickou odolnost, což umožňuje použití s koncentrovanými kyselinami a zásadami. PERLUCOR má vysoký index lomu (1, 72), který umožňuje vyrábět optické objektivy a optické prvky miniaturních rozměrů, to znamená získat zařízení se silným zvětšením, kterého nelze dosáhnout pomocí polymerů nebo skla. Keramické obklady PERLUCOR mají standardní rozměr 90x90 mm; CeramTec-ETEC však vyvinul technologii pro výrobu komplexně tvarovaných plechů založených na tomto formátu podle specifikací zákazníka. Tloušťka panelů může být ve zvláštních případech desetiny milimetru, ale zpravidla je to 2-10 mm.
Vývoj lehčích a tenčích systémů transparentní ochrany pro obranný trh postupuje rychlým tempem. Významnou měrou k tomuto procesu přispívá transparentní keramika společnosti SegamTes, která je součástí ochranných systémů mnoha výrobců. Při testování v souladu se STANAG 4569 nebo APSD je snížení hmotnosti řádově o 30-60 procent.
V posledních letech se zformoval další směr ve vývoji technologií vyvinutých společností SegatTes-ETEC. Okna vozidel, zejména ve skalnatých a pouštních oblastech, jako je Afghánistán, jsou náchylná k nárazům kamene a škrábancům při pohybu stěračů na písčitém, prašném čelním skle. Rovněž jsou sníženy balistické vlastnosti neprůstřelných skel, které byly poškozeny nárazem kamene. Během nepřátelských akcí jsou vozidla s poškozeným sklem vystavena vážným a nepředvídatelným rizikům. SegamTes-ETEC vyvinul skutečně inovativní a originální řešení pro ochranu skla před tímto typem opotřebení. Tenká vrstva (<1 mm) keramického povlaku PERLUCOR na povrchu čelního skla pomáhá úspěšně odolávat takovému poškození. Tato ochrana je také vhodná pro optické přístroje, jako jsou teleskopy, čočky, infračervená zařízení a další senzory. Ploché i zakřivené čočky z čiré keramiky PERLUCOR prodlužují životnost tohoto vysoce hodnotného a citlivého optického zařízení.
CeramTec-ETEC na veletrhu DSEI 2015 v Londýně úspěšně představil neprůstřelnou skleněnou výplň dveří a ochranný panel odolný proti poškrábání a kamenům.
Odolná a flexibilní nanokeramika
Flexibilita a odolnost nejsou vlastnosti, které jsou vlastní keramice, ale problém vyřešil tým vědců vedený profesorkou materiálových věd a mechaniky Julií Greerovou z Kalifornského technologického institutu. Vědci popisují nový materiál jako "houževnatý, lehký, regenerovatelný trojrozměrný keramický nanolatt." Toto je však stejný název pro článek publikovaný Greerem a jejími studenty ve vědeckém časopise před několika lety.
To, co je skryto pod ním, nejlépe ilustruje kostka nanolatinek z oxidu hlinitého o velikosti několika desítek mikronů, pořízená elektronovým mikroskopem. Působením zátěže se zmenší o 85% a po vyjmutí se obnoví původní velikost. Experimenty byly také prováděny s mřížkami sestávajícími z trubek různé tloušťky, přičemž nejtenčí trubice byly nejsilnější a nejelastičtější. Při tloušťce stěny trubice 50 nanometrů se mřížka zhroutila a při síle stěny 10 nanometrů se vrátila do původního stavu - příklad toho, jak efekt velikosti zvyšuje pevnost některých materiálů. Teorie to vysvětluje skutečností, že s poklesem velikosti úměrně klesá počet vad sypkých materiálů. S touto architekturou mřížky dutých trubek je 99,9% objemu krychle vzduch.
Tým profesora Greera vytváří tyto drobné struktury spuštěním procesu podobného 3D tisku. Každý proces začíná souborem CAD, který pohání dva lasery, které „natírají“strukturu ve třech rozměrech, polymer vytvrzuje v místech, kde se paprsky ve fázi navzájem zesilují. Nevytvrzený polymer vytéká z vytvrzené mřížky, která se nyní stává substrátem pro vytvoření konečné struktury. Vědci poté nanesou oxid hlinitý na substrát pomocí metody, která přesně kontroluje tloušťku povlaku. Nakonec jsou konce mřížky rozříznuty, aby se odstranil polymer, přičemž zůstala pouze krystalová mřížka dutých trubek z oxidu hlinitého.
Pevnost oceli, ale váží jako vzduch
Potenciál takto „upravených“materiálů, které jsou většinou objemové vzduchem, ale jsou o tolik méně silné jako ocel, je obrovský, ale těžko pochopitelný, a tak profesor Greer uvedl několik nápadných příkladů. První příklad, balónky, ze kterých se čerpá helium, ale zároveň si zachovávají svůj tvar. Druhé, budoucí letadlo, jehož konstrukce váží tolik, kolik váží jeho manuální model. Nejpřekvapivější je, že kdyby byl slavný most Golden Gate vyroben z takových nanolatinek, všechny materiály potřebné k jeho konstrukci by mohly být umístěny (kromě vzduchu) na lidskou dlaň.
Stejně jako obrovské strukturální výhody těchto houževnatých, lehkých a žáruvzdorných materiálů vhodných pro bezpočet vojenských aplikací, jejich předem určené elektrické vlastnosti by mohly znamenat revoluci v skladování a výrobě energie: „Tyto nanostruktury jsou velmi lehké, mechanicky stabilní a zároveň obrovské v velikost. povrchy, to znamená, že můžeme použít v různých aplikacích elektrochemického typu. “
Patří mezi ně extrémně účinné elektrody pro baterie a palivové články, jsou cenným cílem pro autonomní napájecí zdroje, přenosné a přenosné elektrárny a také skutečný průlom v technologii solárních článků.
"V tomto ohledu lze také pojmenovat fotonické krystaly," řekl Greer. „Tyto struktury vám umožňují manipulovat se světlem takovým způsobem, že jej můžete zcela zachytit, což znamená, že můžete vyrábět mnohem efektivnější solární články - zachytíte veškeré světlo a nemáte žádnou ztrátu odrazu.“
"To vše naznačuje, že kombinace efektu velikosti v nanomateriálech a strukturálních prvcích nám umožňuje vytvářet nové třídy materiálů s vlastnostmi, které nebyly dosažitelné," řekl profesor Greer z Evropské organizace pro jaderný výzkum ve Švýcarsku. „Největší výzvou, které čelíme, je, jak se rozšířit a přejít z nano na velikost našeho světa.“
Průmyslová transparentní keramická ochrana
Společnost IBD Deisenroth Engineering vyvinula transparentní keramické brnění s balistickým výkonem srovnatelným s neprůhledným keramickým pancířem. Tento nový průhledný pancíř je asi o 70% lehčí než pancéřové sklo a lze jej sestavit do struktur se stejnými charakteristikami více rázů (schopnost odolat více zásahům) jako neprůhledné brnění. To umožňuje nejen dramaticky snížit hmotnost vozidel s velkými okny, ale také odstranit všechny balistické mezery.
Pro získání ochrany podle STANAG 4569 úroveň 3 má neprůstřelné sklo povrchovou hustotu přibližně 200 kg / m2. Při typické ploše okna kamionu tři metry čtvereční bude hmotnost neprůstřelných skel 600 kg. Při výměně takových neprůstřelných skel za keramiku IBD bude snížení hmotnosti o více než 400 kg. Průhledná keramika od IBD je dalším vývojem keramiky IBD NANOTech. IBD se podařilo vyvinout speciální spojovací procesy, které se používají k montáži keramických obkladů („mozaikové průhledné brnění“) a poté tyto sestavy laminují na silné strukturální vrstvy, aby vytvořily velké okenní panely. Díky vynikajícím vlastnostem tohoto keramického materiálu je možné vyrábět průhledné pancéřové panely s výrazně nižší hmotností. Zadní strana v kombinaci s laminátem Natural NANO-Fiber dále zvyšuje balistický výkon nové transparentní ochrany díky větší absorpci energie.
Izraelská společnost OSG (Oran Safety Glass), reagující na rostoucí míru nestability a napětí po celém světě, vyvinula širokou škálu neprůstřelných skleněných výrobků. Jsou speciálně navrženy pro obranný a civilní sektor, armádu, polovojenské jednotky, vysoce riziková civilní povolání, stavební a automobilový průmysl. Společnost propaguje na trhu následující technologie: průhledná ochranná řešení, řešení balistické ochrany, další pokročilé transparentní pancéřové systémy, digitální vizuální okna, okna pro nouzové východy, keramická okna s technologií barevného displeje, integrované systémy indikátorů, skleněné štíty odolné proti nárazům, a konečně technologie proti třískám ADI.
Průhledné materiály OSG jsou neustále testovány v reálných životních situacích: odpuzují fyzické a balistické útoky, zachraňují životy a chrání majetek. Všechny obrněné průhledné materiály byly vytvořeny v souladu s hlavními mezinárodními standardy.
