Sõjaväeautod on traditsiooniliselt valmistatud raskest, kulukast, kuid ülitugevast soomusterasest. Kaasaegseid keraamilisi komposiitmaterjale kasutatakse lahingumasinate mittekandva kaitsena üha enam. Selliste materjalide peamised eelised on oluliselt madalamad kulud, parem kaitse ja kaalu vähendamine rohkem kui poole võrra. Mõtle tänapäevastele keraamilistele baasmaterjalidele, mida tänapäeval kasutatakse ballistiliseks kaitseks
Tänu oma võimele taluda väga kõrgeid temperatuure, mis on oluliselt kõrgemad kui metallidel, kõvadus, kõrgeim eritugevus ja eriline jäikus, kasutatakse keraamikat laialdaselt mootorite, raketikomponentide, tööriistade lõikeservade, spetsiaalsete läbipaistvate ja läbipaistmatud kilbid, mis muidugi kuuluvad sõjaliste süsteemide arendamise prioriteetsete valdkondade hulka. Tulevikus peaks selle rakendusala aga oluliselt laienema, sest paljudes maailma riikides läbi viidud teadus- ja arendustegevuse raames otsitakse uusi võimalusi plastilisuse, pragunemiskindluse ja muude soovitavate mehaaniliste omaduste suurendamiseks. ühendades keraamilise aluse tugevduskiududega niinimetatud keraamilises maatriksis.komposiitmaterjalid (KMKM). Samuti võimaldavad uued tootmistehnoloogiad valmistada massiliselt väga vastupidavaid ja kvaliteetseid läbipaistvaid keerulise kujuga ja suurte mõõtmetega tooteid materjalidest, mis edastavad nähtavaid ja infrapunalaineid. Lisaks võimaldab uute konstruktsioonide loomine nanotehnoloogia abil saada vastupidavaid ja kergeid, ülekuumenemiskindlaid, keemiliselt vastupidavaid ja samal ajal praktiliselt hävimatuid materjale. Seda omaduste kombinatsiooni peetakse tänapäeval üksteist välistavaks ja seega sõjaliste rakenduste jaoks väga atraktiivseks.
Keraamilis-maatrikskomposiitmaterjalid (KMKM)
Nagu nende polümeerianaloogid, koosnevad CMC -d baasainest, mida nimetatakse maatriksiks, ja tugevdavast täiteainest, mis on teise materjali osakesed või kiud. Kiud võivad olla pidevad või diskreetsed, juhuslikult orienteeritud, asetatud täpsete nurkade all, põimitud erilisel viisil, et saavutada antud suunas suurem tugevus ja jäikus, või jaotuda ühtlaselt igas suunas. Kuid olenemata materjalide kombinatsioonist või kiudude orientatsioonist, on maatriksi ja tugevdava komponendi vaheline side materjali omaduste jaoks kriitiline. Kuna polümeerid on vähem jäigad kui materjal, mis neid tugevdab, on side maatriksi ja kiudude vahel tavaliselt piisavalt tugev, et võimaldada materjalil tervikuna painutada. Kuid CMCM -i puhul võib maatriks olla tugevam kui tugevduskiud, nii et sidumisjõud, mis on optimeeritud sarnaselt kiu ja maatriksi kergele ümberpaigutamisele, aitab näiteks löögienergiat neelata ja vältida pragude teket. mis muidu tooks kaasa rabedat hävitamist ja lõhenemist. See muudab CMCM -i puhta keraamikaga võrreldes palju viskoossemaks ja see on kõrge koormusega liikuvate osade, näiteks reaktiivmootorite osade omadustest kõige olulisem.
Kerged ja kuumad turbiini labad
2015. aasta veebruaris teatas GE Aviation edukatest katsetustest, mida ta nimetab „maailma esimeseks mittestaatiliseks lennukimootori CMC-komplektiks”, kuigi ettevõte ei avalikustanud maatriksi ja tugevdusmaterjali jaoks kasutatud materjale. Me räägime madala rõhuga turbiinilabadest turboventilaatori mootori F414 eksperimentaalses mudelis, mille väljatöötamise eesmärk on täiendavalt kinnitada materjali vastavust deklareeritud nõuetele, mis on ette nähtud töötamiseks suurtel löögikoormustel. See tegevus on osa adaptiivse mootoritehnoloogia demonstraatori (AETD) järgmise põlvkonna isekohanduva mootori demonstratsiooniprogrammist, milles GE teeb koostööd USA õhujõudude uurimislaboriga. Programmi AETD eesmärk on pakkuda võtmetehnoloogiaid, mida saaks rakendada kuuenda põlvkonna hävitajate mootorites ja alates 2020. aastate keskpaigast ka viienda põlvkonna õhusõidukite, näiteks F-35, mootorites. Kohanduvad mootorid saavad lennu ajal reguleerida oma rõhutõusu ja möödaviigu suhet, et saavutada maksimaalne tõukejõud õhkutõusmisel ja võitluses või maksimaalne kütusekulu kruiisirežiimis.
Ettevõte rõhutab, et CMC -st valmistatud pöörlevate osade kasutuselevõtt reaktiivmootori „kõige kuumemates ja kõige raskemini koormatud” osades on märkimisväärne läbimurre, kuna varem võimaldas tehnoloogia kasutada CMC -d ainult statsionaarsete osade tootmiseks, näiteks kõrgsurve turbiini ümbris. Katsete käigus läbisid F414 mootori KMKM turbiini labad 500 tsüklit - tühikäigust kuni õhkutõukejõuni ja tagasi.
Turbiini labad on palju kergemad kui tavalised niklisulamist labad, mis võimaldas metallketastel, mille külge need on kinnitatud, väiksemad ja kergemad, teatas ettevõte.
„Üleminek niklisulamitelt pöörlevale keraamikale mootori sees on tõeliselt suur hüpe edasi. Kuid see on puhas mehaanika,”ütles GE Aviationi CMC ja polümeersideainete juht Jonathan Blank. - Kergemad terad loovad vähem tsentrifugaaljõudu. See tähendab, et saate ketast, laagreid ja muid osi kokku tõmmata. KMKM võimaldas teha revolutsioonilisi muudatusi reaktiivmootori konstruktsioonis”.
AETD programmi eesmärk on vähendada kütusekulu 25%, suurendada lennuulatust rohkem kui 30% ja tõsta maksimaalset tõukejõudu 10% võrreldes arenenumate 5. põlvkonna hävitajatega. "Üks suurimaid väljakutseid staatilistelt CMC -komponentidelt pöörlevatele komponentidele üleminekul on pingeväli, milles need peavad töötama," ütles GE Aviationi lahingumootorite programmijuht Dan McCormick. Samas lisas ta, et mootori F414 katsetamine andis olulisi tulemusi, mida hakatakse kasutama adaptiivse tsükliga mootorites. „Madala rõhuga CMC turbiini laba kaalub kolm korda vähem kui selle asendatav metalltera, lisaks pole teisel ökonoomsel režiimil vaja CMC-tera õhuga jahutada. Tera on nüüd aerodünaamiliselt tõhusam, kuna kogu seda jahutusõhku pole vaja sealt läbi pumbata."
KMKM materjalid, millesse ettevõte on investeerinud alates nende tööde alustamisest 90ndate alguses, on investeerinud üle miljardi dollari, taluvad temperatuuri, mis on sadu kraadi kõrgem kui traditsioonilised niklisulamid, ning neid eristab ränikarbiidkiust tugevdus keraamilises maatriksis., mis suurendab selle löögitugevust ja pragunemiskindlust.
Tundub, et GE on nende turbiinide labadega teinud päris rasket tööd. Tõepoolest, mõned KMKM -i mehaanilised omadused on väga tagasihoidlikud. Näiteks on tõmbetugevus võrreldav vase ja odavate alumiiniumisulamite tõmbetugevusega, mis pole eriti hea osade puhul, mis on allutatud suurtele tsentrifugaaljõududele. Lisaks on neil purunemisel väike pinge, see tähendab, et nad venivad murdumisel väga kergelt. Tundub, et need puudused on siiski ületatud ning nende materjalide väike kaal andis kindlasti uue tehnoloogia võidule olulise panuse.
Nano -keraamika moodulsoomuk tankile LEOPARD 2
Komposiitsoomuse panus
Kuigi kaitsetehnoloogiad, mis koosnevad metallkihtidest, kiududega tugevdatud polümeerkomposiitidest ja keraamikast, on hästi välja kujunenud, jätkab tööstus üha keerukamate komposiitmaterjalide väljatöötamist, kuid paljud selle protsessi üksikasjad on hoolikalt varjatud. Morgan Advanced Materials on selles valdkonnas hästi tuntud, kuulutades eelmisel aastal Londonis toimunud konverentsil Armored Vehicles XV auhinna välja oma SAMAS kaitsetehnoloogia eest. Morgani sõnul on Briti armee sõidukitel laialdaselt kasutatav SAMAS-kaitse komposiitmaterjal, mis on tugevdatud selliste materjalidega nagu S-2 klaas, E-klaas, aramiid ja polüetüleen, seejärel vormitakse lehtedeks ja kõvastatakse kõrge rõhu all: „Kiude saab kombineerida koos keraamiliste metallide hübriidmaterjalidega, mis vastavad erilistele disaini- ja jõudlusnõuetele."
Morgani sõnul võib meeskonna kaitsekapslite valmistamiseks kasutatav SAMAS soomus kogupaksusega 25 mm vähendada kergelt kaitstud sõidukite massi rohkem kui 1000 kg võrreldes teraskapsliga sõidukitega. Muud eelised hõlmavad lihtsamat remonti, mille paksus on alla 5 mm, ja selle materjali spillivoodri omadusi.
Selge spinelli areng
USA mereväe uurimislabori andmetel õitseb magneesiumalumiiniumoksiidil (MgAI2O4) põhinevate läbipaistvate materjalide väljatöötamine ja tootmine, mida koos tuntakse ka kui kunstlikke spinelle. Spinellid on juba ammu tuntud mitte ainult oma tugevuse poolest - 0,25 -tollise paksusega spinellil on samad ballistilised omadused kui 2,5 -tollise kuulikindla klaasiga -, vaid ka raskusi suurte osade valmistamisel ühtlase läbipaistvusega. Rühm selle labori teadlasi on aga leiutanud uue protsessi madalal temperatuuril paagutamiseks vaakumis, mis võimaldab teil saada osi, mille mõõtmed on piiratud ainult pressi suurusega. See on suur läbimurre võrreldes varasemate tootmisprotsessidega, mis algasid algse pulbri sulatamisega sulatustiglis.
Uue protsessi üks saladusi on liitiumfluoriidi (LiF) paagutamislisandi ühtlane jaotumine, mis sulab ja määrib spinelliterad nii, et neid saaks paagutamise ajal ühtlaselt jaotada. Liitiumfluoriidi ja spinellipulbrite kuivsegamise asemel on labor välja töötanud meetodi spinelliosakeste ühtlaseks katmiseks liitiumfluoriidiga. See võimaldab oluliselt vähendada LiF tarbimist ja suurendada valguse läbilaskvust kuni 99% teoreetilisest väärtusest spektri nähtavates ja keskmise infrapuna piirkondades (0,4-5 mikronit).
Uus protsess, mis võimaldab toota eri kujuga optikat, sealhulgas lehti, mis sobivad mugavalt lennuki või drooni tiibadega, on saanud litsentsi nimetu ettevõte. Spinelli võimalike rakenduste hulka kuuluvad soomustatud klaas, mis kaalub alla poole olemasoleva klaasi massist, sõdurite kaitsemaskid, järgmise põlvkonna laserite optika ja multispektraalsed sensorprillid. Näiteks nutitelefonide ja tahvelarvutite pragunemiskindlate prillide masstootmisel väheneb spinelltoodete hind märkimisväärselt.
PERLUCOR - uus verstapost kuuli- ja kulumiskaitsesüsteemides
CeramTec-ETEC töötas paar aastat tagasi välja PERLUCOR läbipaistva keraamika, millel on head väljavaated nii kaitse- kui ka tsiviilrakenduste jaoks. PERLUCORi suurepärased füüsikalised, keemilised ja mehaanilised omadused olid selle materjali eduka turuletuleku peamised põhjused.
PERLUCORi suhteline läbipaistvus on üle 90%, see on kolm kuni neli korda tugevam ja kõvem kui tavaline klaas, selle materjali kuumakindlus on umbes kolm korda suurem, mis võimaldab seda kasutada temperatuuril kuni 1600 ° C, samuti on äärmiselt kõrge keemilise vastupidavusega, see võimaldab seda kasutada kontsentreeritud hapete ja leelistega. PERLUCORil on kõrge murdumisnäitaja (1, 72), mis võimaldab toota optilisi objektiive ja miniatuursete mõõtmetega optilisi elemente, st saada võimsa suurendusega seadmeid, mida pole võimalik saavutada polümeeride või klaasiga. PERLUCOR keraamiliste plaatide standardmõõt on 90x90 mm; CeramTec-ETEC on aga välja töötanud tehnoloogia keerulise kujuga lehtede tootmiseks, mis põhineb sellel vormingul vastavalt kliendi spetsifikatsioonidele. Paneelide paksus võib erijuhtudel olla kümnendik millimeetrit, kuid reeglina on see 2-10 mm.
Kergemate ja õhemate kaitseturu läbipaistva kaitse süsteemide väljatöötamine edeneb kiiresti. Märkimisväärse panuse sellesse protsessi annab SegamTesi ettevõtte läbipaistev keraamika, mis on osa paljude tootjate kaitsesüsteemidest. Kui katsetatakse vastavalt standardile STANAG 4569 või APSD, on kaalu vähenemine suurusjärgus 30–60 protsenti.
Viimastel aastatel on kujunenud teine suund SegatTes-ETECi väljatöötatud tehnoloogiate arendamisel. Sõidukite aknad, eriti kivistel ja kõrbepiirkondadel, näiteks Afganistanis, on altid klaasilöökide liikumisest liivasele ja tolmusele esiklaasile kivilöökidele ja kriimustustele. Samuti vähenevad kuulikindlate klaaside ballistilised omadused, mis on saanud kahjustada kivist. Vaenutegevuse ajal puutuvad kahjustatud klaasiga sõidukid kokku tõsiste ja ettearvamatute riskidega. SegamTes-ETEC on välja töötanud tõeliselt uuendusliku ja originaalse lahenduse klaasi kaitsmiseks seda tüüpi kulumise eest. Õhuke kiht (<1 mm) PERLUCOR keraamilist katet esiklaasi pinnal aitab sellistele kahjustustele edukalt vastu seista. See kaitse sobib ka optilistele instrumentidele, nagu teleskoobid, läätsed, infrapunaseadmed ja muud andurid. PERLUCOR läbipaistvast keraamikast valmistatud lamedad ja kumerad läätsed pikendavad selle üliväärtusliku ja tundliku optilise seadme eluiga.
CeramTec-ETEC esitles Londonis toimunud DSEI 2015-l edukalt kuulikindlast klaasist uksepaneeli ning kriimustus- ja kivikindlat kaitsepaneeli.
Vastupidav ja paindlik nanokeraamika
Paindlikkus ja vastupidavus ei ole keraamikale omased omadused, kuid probleemiga tegeles teadlaste meeskond, mida juhtis materjaliteaduse ja mehaanika professor Julia Greer California Tehnoloogiainstituudist. Teadlased kirjeldavad uut materjali kui "sitkeid, kergeid, regenereeritavaid kolmemõõtmelisi keraamilisi nanovõrke". See on aga sama nimi artiklile, mille Greer ja tema õpilased paar aastat tagasi teadusajakirjas avaldasid.
Selle alla peidetut illustreerib kõige paremini elektronmikroskoobiga võetud mitmekümne mikroni suurune alumiiniumoksiidi nanovõrkude kuubik. Koorma mõjul kahaneb see 85% ja eemaldamisel taastatakse selle esialgne suurus. Katsed viidi läbi ka võredega, mis koosnesid erineva paksusega torudest, kõige õhemad torud olid kõige tugevamad ja elastsemad. Toru seinapaksusega 50 nanomeetrit langes võre kokku ja seinapaksusega 10 nanomeetrit naasis see oma algsesse olekusse - näide sellest, kuidas suurusefekt suurendab mõne materjali tugevust. Teooria selgitab seda asjaoluga, et suuruse vähenemisega väheneb puistematerjalide defektide arv proportsionaalselt. Sellise õõnsate torude võre arhitektuuriga moodustab 99,9% kuubi mahust õhk.
Professor Greeri meeskond loob need väikesed struktuurid 3D -printimisega sarnase protsessi abil. Iga protsess algab CAD -failiga, mis juhib kahte laserit, mis "värvivad" struktuuri kolmes mõõtmes, kõvendades polümeeri kohtades, kus talad üksteist faasis võimendavad. Kõvastumata polümeer voolab välja kõvastunud võrest, millest saab nüüd substraat, et moodustada lõplik struktuur. Seejärel rakendavad teadlased alumiiniumoksiidi substraadile, kasutades meetodit, mis kontrollib täpselt katte paksust. Lõpuks lõigatakse võre otsad polümeeri eemaldamiseks, jättes alles ainult õõnsate alumiiniumoksiiditorude kristallvõre.
Terase tugevus, kuid kaalub nagu õhk
Selliste "konstrueeritud" materjalide potentsiaal, mille maht on enamasti õhuhulk, kuid on vähem tugev kui teras, on tohutu, kuid raskesti mõistetav, mistõttu tõi professor Greer välja mitmeid silmatorkavaid näiteid. Esimene näide, õhupallid, millest heelium välja pumbatakse, kuid samal ajal oma kuju säilitades. Teine, tulevane lennuk, mille disain kaalub sama palju kui selle manuaalne mudel. Kõige üllatavam on see, et kui kuulus Golden Gate'i sild oleks valmistatud sellistest nanovõrkudest, saaks kõik selle ehitamiseks vajalikud materjalid (välja arvatud õhk) asetada inimese peopesale.
Nii nagu nende karmide, kergete ja kuumuskindlate materjalide tohutud struktuurilised eelised, mis sobivad lugematuks sõjaliseks otstarbeks, võivad nende etteantud elektrilised omadused muuta energia salvestamist ja tootmist: „Need nanostruktuurid on väga kerged, mehaaniliselt stabiilsed ja samal ajal tohutud suurusega pindu, see tähendab, et saame kasutada mitmesugustes elektrokeemilistes rakendustes."
Nende hulka kuuluvad äärmiselt tõhusad patareide ja kütuseelementide elektroodid, need on autonoomsete toiteallikate, kaasaskantavate ja teisaldatavate elektrijaamade hinnaline eesmärk ning tõeline läbimurre päikesepatareide tehnoloogias.
"Sellega seoses võib nimetada ka fotoonilisi kristalle," ütles Greer. "Need struktuurid võimaldavad teil valgusega manipuleerida nii, et saate selle täielikult jäädvustada, mis tähendab, et saate teha palju tõhusamaid päikesepatareid - jäädvustate kogu valguse ja teil pole peegelduskadu."
"Kõik see viitab sellele, et nanomaterjalide ja konstruktsioonielementide suurusefekti kombinatsioon võimaldab meil luua uusi materjalide klasse, mille omadused ei ole saavutatavad," ütles professor Greer Šveitsi Euroopa tuumauuringute organisatsioonis. "Suurim väljakutse, millega me silmitsi seisame, on see, kuidas nanoid suurendada ja meie maailma suuruseks liikuda."
Tööstuslik läbipaistev keraamiline kaitse
IBD Deisenroth Engineering on välja töötanud läbipaistva keraamilise soomuse, mille ballistiline jõudlus on võrreldav läbipaistmatu keraamilise soomusega. See uus läbipaistev raudrüü on soomusklaasist umbes 70% kergem ja selle saab kokku panna struktuurideks, millel on samad mitme löögi omadused (võime taluda mitut lööki) kui läbipaistmatud soomused. See võimaldab mitte ainult oluliselt vähendada suurte akendega sõidukite massi, vaid ka sulgeda kõik ballistilised lüngad.
STANAG 4569 3. taseme kohase kaitse saamiseks on kuulikindla klaasi pindtihedus ligikaudu 200 kg / m2. Kolme ruutmeetri veoauto tüüpilise aknapinnaga on kuulikindlate klaaside mass 600 kg. Selliste kuulikindlate klaaside asendamisel IBD keraamikaga on kaalulangus üle 400 kg. IBD läbipaistev keraamika on IBD NANOTech keraamika edasiarendus. IBD -l on õnnestunud välja töötada spetsiaalsed sidumisprotsessid, mida kasutatakse keraamiliste plaatide ("mosaiik -läbipaistev soomus") kokkupanemiseks ja seejärel nende sõlmede lamineerimiseks tugevateks struktuurikihtideks, et moodustada suured aknapaneelid. Selle keraamilise materjali silmapaistvate omaduste tõttu on võimalik toota läbipaistvaid soomuspaneele, mille kaal on oluliselt väiksem. Alus koos loodusliku NANO-kiudlaminaadiga suurendab uue läbipaistva kaitse ballistilisi omadusi veelgi tänu oma suuremale energia neeldumisele.
Iisraeli ettevõte OSG (Oran Safety Glass), reageerides kasvavale ebastabiilsusele ja pingetele kogu maailmas, on välja töötanud laia kuulikindlate klaastoodete valiku. Need on spetsiaalselt ette nähtud kaitse- ja tsiviilisektoritele, sõjaväele, sõjaväele, sõjaväele, kõrge riskiga tsiviilelanikele, ehitus- ja autotööstusele. Ettevõte edendab turule järgmisi tehnoloogiaid: läbipaistvad kaitselahendused, ballistilised kaitselahendused, täiendavad täiustatud läbipaistvad soomussüsteemid, digitaalsed visuaalsed aknad, avariiväljapääsu aknad, keraamilised aknad värvilise ekraanitehnoloogiaga, integreeritud märgutulede süsteemid, löögikindlad klaaskilbid ja lõpuks ADI kildudevastane tehnoloogia.
OSG läbipaistvaid materjale testitakse pidevalt reaalsetes olukordades: tõrjudes füüsilisi ja ballistilisi rünnakuid, päästes elusid ja kaitstes vara. Kõik soomustatud läbipaistvad materjalid on loodud vastavalt olulistele rahvusvahelistele standarditele.
