Askeri araçlar geleneksel olarak ağır, pahalı ancak yüksek mukavemetli zırh çeliğinden yapılmıştır. Modern seramik kompozit malzemeler, savaş araçları için taşıyıcı olmayan koruma olarak giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bu tür malzemelerin ana avantajları, önemli ölçüde daha düşük maliyet, geliştirilmiş koruma ve yarıdan fazla ağırlık azaltmadır. Balistik koruma için günümüzde kullanılan modern temel seramik malzemeleri düşünün
Çok yüksek sıcaklıklara, metallerden önemli ölçüde daha yüksek dayanma kabiliyeti, sertlik, en yüksek özgül mukavemet ve spesifik sertlik nedeniyle, seramikler, motorlar için astarların, roket bileşenlerinin, aletlerin kesici kenarlarının, özel şeffaf ve özel sertliğin imalatında yaygın olarak kullanılır. elbette askeri sistemlerin geliştirilmesi için öncelikli alanlar arasında yer alan opak kalkanlar. Bununla birlikte, gelecekte, uygulamasının kapsamı önemli ölçüde genişlemelidir, çünkü dünyanın birçok ülkesinde yürütülen araştırma ve geliştirme çerçevesinde, plastisiteyi, çatlak direncini ve diğer istenen mekanik özellikleri arttırmanın yeni yolları araştırılmaktadır. bir seramik tabanın, seramik matris olarak adlandırılan kompozit malzemelerde (KMKM) güçlendirici liflerle birleştirilmesi. Ayrıca, yeni üretim teknolojileri, görünür ve kızılötesi dalgaları ileten malzemelerden karmaşık şekillerde ve büyük boyutlarda çok dayanıklı, yüksek kaliteli şeffaf ürünlerin seri üretimine olanak sağlayacaktır. Ayrıca nanoteknoloji kullanılarak yeni yapıların oluşturulması, dayanıklı ve hafif, aşırı ısıya dayanıklı, kimyasal olarak dirençli ve aynı zamanda neredeyse yok edilemez malzemeler elde etmeyi mümkün kılacaktır. Bu özellik kombinasyonu, günümüzde birbirini dışlayan ve dolayısıyla askeri uygulamalar için çok çekici olarak kabul edilmektedir.
Seramik matrisli kompozit malzemeler (KMKM)
Polimer analogları gibi, CMC'ler de matris adı verilen bir baz maddeden ve başka bir malzemenin parçacıkları veya lifleri olan bir takviye dolgu maddesinden oluşur. Lifler sürekli veya ayrık, rastgele yönlendirilmiş, belirli açılarda yerleştirilmiş, belirli yönlerde artan mukavemet ve sertlik elde etmek için özel bir şekilde iç içe geçmiş veya tüm yönlerde eşit olarak dağıtılmış olabilir. Bununla birlikte, malzemelerin kombinasyonu veya fiber yönelimi ne olursa olsun, matris ve takviye bileşeni arasındaki bağ, malzemenin özellikleri için kritik öneme sahiptir. Polimerler, onları güçlendiren malzemeden daha az rijit olduğundan, matris ve lifler arasındaki bağ genellikle malzemenin bir bütün olarak bükülmeye direnmesine izin verecek kadar güçlüdür. Bununla birlikte, CMCM durumunda matris, takviye edici liflerden daha sert olabilir, böylece lif ve matrisin hafif yer değiştirmesine izin vermek için benzer şekilde optimize edilmiş olan bağlama kuvveti, örneğin darbe enerjisini emmeye yardımcı olur ve çatlakların gelişmesini önler. aksi takdirde kırılgan yıkıma ve bölünmeye yol açacaktır. Bu, CMCM'yi saf seramiklere kıyasla çok daha viskoz hale getirir ve bu, örneğin jet motorlarının parçaları gibi yüksek yüklü hareketli parçaların özelliklerinden en önemlisidir.
Hafif ve sıcak türbin kanatları
Şubat 2015'te GE Aviation, “bir uçak motoru için dünyanın ilk statik olmayan CMC kiti” dediği şeyin başarılı denemelerini duyurdu, ancak şirket matris ve takviye malzemesi için kullanılan malzemeleri açıklamadı. F414 turbofan motorunun deneysel bir modelinde, geliştirilmesi, malzemenin yüksek şok yüklerinde çalışma için beyan edilen gerekliliklere uygunluğunu daha fazla doğrulamayı amaçlayan düşük basınçlı türbin kanatlarından bahsediyoruz. Bu aktivite, GE'nin ABD Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı ile işbirliği yaptığı Uyarlamalı Motor Teknolojisi Göstericisi (AETD) Yeni Nesil Kendinden Uyarlamalı Motor Gösterim Programının bir parçasıdır. AETD programının amacı, altıncı nesil avcı uçaklarının motorlarında ve 2020'lerin ortalarından itibaren F-35 gibi beşinci nesil uçakların motorlarında uygulanabilecek temel teknolojileri sağlamaktır. Adaptif motorlar, kalkış ve muharebe sırasında maksimum itme veya seyir uçuşu modunda maksimum yakıt verimliliği elde etmek için uçuşta basınç artışını ve bypass oranını ayarlayabilecektir.
Şirket, bir jet motorunun "en sıcak ve en ağır yüklü" parçalarına CMC'den yapılmış dönen parçaların dahil edilmesinin önemli bir atılım olduğunu vurgulamaktadır, çünkü daha önce CMC'nin yalnızca sabit parçaların imalatı için kullanılmasına izin verilen teknoloji, örneğin, bir yüksek basınçlı türbin örtüsü. Testler sırasında, F414 motorundaki KMKM türbin kanatları, rölanti devrinden kalkış itiş ve geri dönüşüne kadar 500 döngüden geçti.
Şirket, türbin kanatlarının, bağlandıkları metal disklerin daha küçük ve daha hafif olmasına izin veren geleneksel nikel alaşımlı kanatlardan çok daha hafif olduğunu söyledi.
Motorun içinde nikel alaşımlarından dönen seramiklere geçiş, ileriye doğru gerçekten büyük bir sıçrama. Ama bu tamamen mekanik,”diyor GE Aviation'da CMC ve polimer bağlayıcılar başkanı Jonathan Blank. - Daha hafif bıçaklar daha az merkezkaç kuvveti yaratır. Bu, diski, yatakları ve diğer parçaları küçültebileceğiniz anlamına gelir. KMKM, bir jet motorunun tasarımında devrim niteliğinde değişiklikler yapmayı mümkün kıldı”.
AETD programının amacı, en gelişmiş 5. nesil avcı uçaklarına kıyasla spesifik yakıt tüketimini %25 azaltmak, uçuş menzilini %30'dan fazla artırmak ve maksimum itişi %10 artırmaktır. GE Aviation Gelişmiş Savaş Motoru Program Yöneticisi Dan McCormick, “Statik CMC bileşenlerinden dönen bileşenlere geçişteki en büyük zorluklardan biri, içinde çalışması gereken stres alanıdır” dedi. Aynı zamanda F414 motorunun test edilmesinin adaptif çevrimli motorda kullanılacak önemli sonuçlar verdiğini de sözlerine ekledi. “Düşük basınçlı bir CMC türbin kanadı, yerini aldığı metal kanattan üç kat daha hafiftir, ayrıca ikinci ekonomik modda, CMC kanadını hava ile soğutmaya gerek yoktur. Tüm bu soğutma havasını içinden pompalamaya gerek olmadığından kanat artık aerodinamik olarak daha verimli olacak."
Şirketin 90'lı yılların başında üzerlerinde çalışmaya başladığından beri bir milyar dolardan fazla yatırım yaptığını söylediği KMKM malzemeleri, geleneksel nikel alaşımlarından yüzlerce derece daha yüksek sıcaklıklara dayanabiliyor ve seramik bir matriste silisyum karbür elyaf takviyesi ile ayırt ediliyor.., darbe dayanımını ve çatlama direncini arttırır.
GE, bu türbin kanatları üzerinde oldukça sıkı bir çalışma yapmış görünüyor. Gerçekten de, KMKM'nin bazı mekanik özellikleri çok mütevazıdır. Örneğin, çekme mukavemeti, büyük merkezkaç kuvvetlerine maruz kalan parçalar için pek iyi olmayan bakır ve ucuz alüminyum alaşımlarının gerilme mukavemeti ile karşılaştırılabilir. Ek olarak, kopmada düşük bir gerilme sergilerler, yani kopmada çok az uzarlar. Ancak, bu eksikliklerin üstesinden gelinmiş gibi görünüyor ve bu malzemelerin düşük ağırlığı kesinlikle yeni teknolojinin zaferine önemli bir katkı yaptı.
LEOPARD 2 tankı için nanoseramikli modüler zırh
Kompozit zırh katkısı
Metal, fiber takviyeli polimer kompozitler ve seramik katmanlarının bir kombinasyonu olan koruma teknolojileri iyi kurulmuş olsa da, endüstri giderek daha karmaşık kompozit malzemeler geliştirmeye devam ediyor, ancak bu işlemin birçok ayrıntısı dikkatle gizleniyor. Morgan Advanced Materials, geçen yıl Londra'daki Zırhlı Araçlar XV konferansında SAMAS savunma teknolojisi için bir ödül açıklayarak bu alanda iyi tanınmaktadır. Morgan'a göre, İngiliz Ordusu araçlarında yaygın olarak kullanılan SAMAS koruması, S-2 Glass, E-Glass, aramid ve polietilen gibi malzemelerle güçlendirilmiş, daha sonra levha haline getirilmiş ve yüksek basınç altında kürlenmiş bir kompozit malzemedir: “Elyaflar birleştirilebilir. özel tasarım ve performans gereksinimlerini karşılamak için hibrit seramik-metal malzemelerle.
Morgan'a göre, mürettebatın koruyucu kapsüllerinin üretiminde kullanılan toplam 25 mm kalınlığa sahip SAMAS zırhı, hafif korumalı araçların ağırlığını çelik kapsüllü araçlara kıyasla 1000 kg'dan fazla azaltabilir. Diğer faydalar arasında 5 mm'den daha kalın kalınlıklarla daha kolay onarımlar ve bu malzemenin doğasında bulunan parçalı astar özellikleri yer alır.
Açık spinel ilerlemesi
ABD Deniz Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı'na göre, toplu olarak yapay spinel olarak da bilinen magnezyum alüminyum oksit (MgAI2O4) bazlı şeffaf malzemelerin geliştirilmesi ve üretimi hızla artıyor. Spinel'ler uzun zamandır sadece güçleri ile değil - 0.25 "kalın spinel 2.5" kurşun geçirmez cam ile aynı balistik özelliklere sahip olmakla kalmayıp, aynı zamanda tek tip şeffaflık ile büyük parçalar yapmanın zorluğuyla da bilinmektedir. Bununla birlikte, bu laboratuvardan bir grup bilim insanı, vakumda düşük sıcaklıkta sinterleme için yeni bir süreç icat etti; bu, yalnızca presin boyutuyla sınırlı boyutlarda parçalar elde etmenizi sağlar. Bu, orijinal tozu bir eritme potasında eritme işlemiyle başlayan önceki üretim süreçlerine kıyasla büyük bir atılımdır.
Yeni işlemin sırlarından biri, spinel tanelerini sinterleme sırasında eşit olarak dağıtılabilmesi için eriten ve yağlayan lityum florür (LiF) sinterleme katkı maddesinin eşit dağılımıdır. Laboratuvar, lityum florür ve spinel tozlarını kuru karıştırmak yerine, spinel partiküllerini lityum florür ile eşit şekilde kaplamak için bir yöntem geliştirdi. Bu, LiF tüketimini önemli ölçüde azaltmanıza ve ışık geçirgenliğini, spektrumun görünür ve orta kızılötesi bölgelerinde (0,4-5 mikron) teorik değerin %99'una kadar artırmanıza olanak tanır.
Bir uçağın veya drone'un kanatlarına rahatça oturan levhalar da dahil olmak üzere çeşitli şekillerde optik üretimine olanak sağlayan yeni süreç, ismi açıklanmayan bir şirket tarafından lisanslandı. Spinel için olası uygulamalar, mevcut cam kütlesinin yarısından daha az ağırlığa sahip zırhlı cam, askerler için koruyucu maskeler, yeni nesil lazerler için optikler ve multispektral sensör gözlüklerini içerir. Örneğin, akıllı telefonlar ve tabletler için çatlamaya dayanıklı gözlükler seri üretilirken, spinel ürünlerinin maliyeti önemli ölçüde düşecektir.
PERLUCOR - mermi ve aşınmaya karşı koruma sistemlerinde yeni bir kilometre taşı
CeramTec-ETEC, hem savunma hem de sivil uygulamalar için iyi beklentilerle birkaç yıl önce PERLUCOR şeffaf seramiklerini geliştirdi. PERLUCOR'un mükemmel fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri, bu malzemenin pazara başarılı girişinin ana nedenleriydi.
PERLUCOR, %90'ın üzerinde nispi şeffaflığa sahiptir, sıradan camdan üç ila dört kat daha güçlü ve daha serttir, bu malzemenin ısı direnci yaklaşık üç kat daha yüksektir, bu da 1600 ° C'ye kadar sıcaklıklarda kullanılmasına izin verir, ayrıca son derece yüksek kimyasal dirence sahiptir, bu da konsantre asitler ve alkaliler ile kullanılmasına izin verir. PERLUCOR, minyatür boyutlarda optik hedefler ve optik elemanlar üretmeyi, yani polimerler veya camla elde edilemeyen güçlü büyütmeye sahip cihazlar elde etmeyi mümkün kılan yüksek bir kırılma indeksine (1, 72) sahiptir. PERLUCOR seramik karoların standart boyutu 90x90 mm'dir; bununla birlikte CeramTec-ETEC, müşteri spesifikasyonlarına göre bu formata dayalı olarak karmaşık şekilli levhaların üretimi için bir teknoloji geliştirmiştir. Panellerin kalınlığı özel durumlarda milimetrenin onda biri kadar olabilir, ancak kural olarak 2-10 mm'dir.
Savunma pazarı için daha hafif ve daha ince şeffaf koruma sistemlerinin geliştirilmesi hızla ilerlemektedir. Bu sürece önemli bir katkı, birçok üreticinin koruma sistemlerinin bir parçası olan SegamTes firmasının şeffaf seramikleri tarafından sağlanmaktadır. STANAG 4569 veya APSD'ye göre test edildiğinde, ağırlık azalması yüzde 30-60 civarındadır.
Son yıllarda SegatTes-ETEC tarafından geliştirilen teknolojilerin geliştirilmesinde başka bir yön şekillendi. Araç camları, özellikle Afganistan gibi kayalık ve çöl bölgelerinde, silecek lastiklerinin kumlu, tozlu bir ön cam üzerindeki hareketinden kaynaklanan taş çarpmalarına ve çizilmelere eğilimlidir. Ayrıca taş çarpması sonucu zarar görmüş kurşun geçirmez camların balistik özellikleri de azaltılmıştır. Çatışmalar sırasında camı hasarlı araçlar ciddi ve öngörülemeyen risklere maruz kalmaktadır. SegamTes-ETEC, camı bu tür aşınmalardan korumak için gerçekten yenilikçi ve orijinal bir çözüm geliştirmiştir. Ön cam yüzeyinde ince bir tabaka (<1 mm) PERLUCOR seramik kaplama, bu tür hasarlara başarılı bir şekilde direnmeye yardımcı olur. Bu koruma, teleskoplar, lensler, kızılötesi ekipman ve diğer sensörler gibi optik aletler için de uygundur. PERLUCOR şeffaf seramikten yapılan düz ve kavisli lensler, bu son derece değerli ve hassas optik ekipmanın ömrünü uzatır.
CeramTec-ETEC, Londra'daki DSEI 2015'te kurşun geçirmez cam kapı panelini ve çizilmeye ve taşa dayanıklı koruyucu panelini başarıyla sergiledi.
Dayanıklı ve esnek nanoseramik
Esneklik ve dayanıklılık seramiğin doğasında bulunan nitelikler değildir, ancak California Teknoloji Enstitüsü'nden malzeme bilimi ve mekanik profesörü Julia Greer tarafından yönetilen bir bilim insanı ekibi sorunu ele aldı. Araştırmacılar yeni malzemeyi "sert, hafif, yenilenebilir üç boyutlu seramik nanoörgüler" olarak tanımlıyor. Ancak bu, Greer ve öğrencileri tarafından birkaç yıl önce bilimsel bir dergide yayınlanan bir makalenin adıdır.
Altında saklı olan şey en iyi, elektron mikroskobu ile çekilmiş, onlarca mikron boyutunda bir alüminyum oksit nano-örgü küpü ile gösterilmektedir. Yükün etkisi altında % 85 küçülür ve kaldırıldığında orijinal boyutuna geri döner. Deneyler, en ince boruların en güçlü ve en elastik olduğu, farklı kalınlıktaki borulardan oluşan kafeslerle de gerçekleştirilmiştir.50 nanometrelik bir tüp duvar kalınlığı ile kafes çöktü ve 10 nanometrelik bir duvar kalınlığı ile orijinal durumuna geri döndü - boyut etkisinin bazı malzemelerin gücünü nasıl arttırdığına bir örnek. Teori bunu, boyutta bir azalma ile dökme malzemelerdeki kusurların sayısının orantılı olarak azalması gerçeğiyle açıklar. İçi boş tüplerin kafesinin bu mimarisiyle, küpün hacminin %99,9'u havadır.
Profesör Greer'in ekibi, 3D baskıya benzer bir süreç yürüterek bu küçük yapıları yaratıyor. Her süreç, yapıyı üç boyutlu olarak "boyayan" iki lazeri çalıştıran bir CAD dosyasıyla başlar ve polimeri, ışınların birbirini faz olarak yükselttiği noktalarda sertleştirir. Kürlenmemiş polimer, kürlenmiş ızgaradan dışarı akar ve bu artık nihai yapıyı oluşturmak için alt tabaka haline gelir. Araştırmacılar daha sonra kaplamanın kalınlığını doğru bir şekilde kontrol eden bir yöntem kullanarak alüminayı alt tabakaya uygularlar. Son olarak, kafesin uçları, polimeri çıkarmak için kesilir ve yalnızca içi boş alümina tüplerinin kristal kafesi bırakılır.
Çeliğin gücü, ancak hava gibi ağır
Hacimce çoğunlukla hava olan, ancak çelik kadar daha az güçlü olan bu tür "mühendislik" malzemelerinin potansiyeli muazzamdır, ancak anlaşılması zordur, bu nedenle Profesör Greer birkaç çarpıcı örnek verdi. İlk örnek, helyumun dışarı pompalandığı, ancak aynı zamanda şeklini koruyan balonlardır. Tasarımı, manuel modeli kadar ağır olan, geleceğin ikinci uçağı. En şaşırtıcı olanı, eğer ünlü Golden Gate Köprüsü bu tür nano kafeslerden yapılmış olsaydı, inşası için gereken tüm malzemeler (hava hariç) bir insan avucuna yerleştirilebilirdi.
Sayısız askeri uygulamaya uygun bu sağlam, hafif ve ısıya dayanıklı malzemelerin muazzam yapısal avantajları gibi, önceden belirlenmiş elektriksel özellikleri de enerji depolama ve üretiminde devrim yaratabilir: "Bu nanoyapılar çok hafif, mekanik olarak kararlı ve aynı zamanda çok büyük. boyut. yüzeyler, yani elektrokimyasal tipteki çeşitli uygulamalarda kullanabiliriz."
Bunlar, piller ve yakıt hücreleri için son derece verimli elektrotları içerir; bunlar, otonom güç kaynakları, taşınabilir ve taşınabilir enerji santralleri ve güneş pili teknolojisinde gerçek bir atılım için aziz bir hedeftir.
Greer, "Fotonik kristaller de bu bağlamda adlandırılabilir" dedi. "Bu yapılar, ışığı tamamen yakalayabileceğiniz şekilde manipüle etmenize izin verir, bu da çok daha verimli güneş pilleri yapabileceğiniz anlamına gelir - tüm ışığı yakalarsınız ve yansıma kaybınız olmaz."
İsviçre'deki Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü'nden Profesör Greer, "Bütün bunlar, nanomalzemelerdeki ve yapısal elementlerdeki boyut etkisinin kombinasyonunun, elde edilemeyen özelliklere sahip yeni malzeme sınıfları yaratmamıza izin verdiğini gösteriyor" dedi. "Karşılaştığımız en büyük zorluk, nasıl büyüyüp nanodan dünyamızın boyutuna geçeceğimizdir."
Endüstriyel şeffaf seramik koruma
IBD Deisenroth Engineering, opak seramik zırhla karşılaştırılabilir balistik performansa sahip şeffaf bir seramik zırh geliştirmiştir. Bu yeni şeffaf zırh, zırhlı camdan yaklaşık %70 daha hafiftir ve opak zırhla aynı çoklu darbe özelliklerine (birden fazla darbeye dayanma yeteneği) sahip yapılara monte edilebilir. Bu, yalnızca büyük pencereli araçların kütlesini önemli ölçüde azaltmayı değil, aynı zamanda tüm balistik boşlukları kapatmayı da sağlar.
STANAG 4569 Seviye 3'e uygun koruma sağlamak için kurşun geçirmez cam yaklaşık 200 kg/m2 yüzey yoğunluğuna sahiptir. Üç metrekarelik bir kamyonun tipik bir pencere alanı ile kurşun geçirmez camların kütlesi 600 kg olacaktır. Bu tür kurşun geçirmez camları IBD seramikleriyle değiştirirken, ağırlık azalması 400 kg'dan fazla olacaktır. IBD'den şeffaf seramikler, IBD NANOTech seramiklerinin daha da geliştirilmiş halidir. IBD, seramik karoları ("mozaik şeffaf zırh") birleştirmek ve daha sonra bu düzenekleri büyük pencere panelleri oluşturmak üzere güçlü yapısal katmanlara lamine etmek için kullanılan özel yapıştırma işlemleri geliştirmeyi başarmıştır. Bu seramik malzemenin üstün özelliklerinden dolayı, çok daha düşük ağırlıkta şeffaf zırh panelleri üretmek mümkündür. Destek, Natural NANO-Fiber laminat ile birlikte, daha fazla enerji emilimi nedeniyle yeni şeffaf korumanın balistik performansını daha da artırır.
İsrail şirketi OSG (Oran Safety Glass), dünya çapında artan istikrarsızlık ve gerilim seviyelerine yanıt vererek, çok çeşitli kurşun geçirmez cam ürünleri geliştirdi. Savunma ve sivil sektörler, ordu, paramiliterler, yüksek riskli sivil işgaller, inşaat ve otomotiv endüstrileri için özel olarak tasarlanmıştır. Şirket şu teknolojileri pazara tanıtıyor: şeffaf koruma çözümleri, balistik koruma çözümleri, ek gelişmiş şeffaf zırh sistemleri, dijital görsel pencereler, acil çıkış pencereleri, renkli ekran teknolojili seramik pencereler, entegre gösterge ışık sistemleri, darbeye dayanıklı cam kalkan taşları ve son olarak, ADI kıymık önleme teknolojisi.
OSG şeffaf malzemeleri, gerçek yaşam durumlarında sürekli olarak test edilir: fiziksel ve balistik saldırıları püskürtmek, hayat kurtarmak ve mülkü korumak. Tüm zırhlı şeffaf malzemeler, büyük uluslararası standartlara uygun olarak oluşturulmuştur.
