Karinės transporto priemonės tradiciškai buvo gaminamos iš sunkaus, brangaus, bet didelio stiprumo šarvuoto plieno. Šiuolaikinės keraminės kompozicinės medžiagos vis dažniau naudojamos kaip nelaikanti kovinių transporto priemonių apsauga. Pagrindiniai tokių medžiagų privalumai yra žymiai mažesnės išlaidos, geresnė apsauga ir daugiau nei per pusę sumažintas svoris. Apsvarstykite šiuolaikines pagrindines keramines medžiagas, šiandien naudojamas balistinei apsaugai
Dėl savo gebėjimo atlaikyti labai aukštą, žymiai aukštesnę nei metalų, temperatūrą, kietumą, didžiausią specifinį stiprumą ir specifinį standumą keramika plačiai naudojama variklių, raketų komponentų, įrankių pjovimo briaunų, specialių skaidrių ir nepermatomi skydai, kurie, žinoma, yra viena iš prioritetinių karinių sistemų plėtros sričių. Tačiau ateityje jo taikymo sritis turėtų gerokai išplėsti, nes daugelyje pasaulio šalių atliekami moksliniai tyrimai ir plėtra ieško naujų būdų, kaip padidinti plastiškumą, atsparumą įtrūkimams ir kitas pageidaujamas mechanines savybes. derinant keramikos pagrindą su sutvirtinančiais pluoštais vadinamojoje keraminėje matricoje.kompozicinės medžiagos (KMKM). Be to, naujos gamybos technologijos leis masiškai gaminti labai patvarius, aukštos kokybės skaidrius sudėtingų formų ir didelių dydžių gaminius iš medžiagų, kurios perduoda matomas ir infraraudonųjų spindulių bangas. Be to, sukūrus naujas konstrukcijas naudojant nanotechnologijas, bus galima gauti patvarias ir lengvas, atsparias perkaitimui, chemiškai atsparias ir tuo pačiu praktiškai nesunaikinamas medžiagas. Šis savybių derinys šiandien laikomas nesuderinamu ir todėl labai patrauklus kariniams tikslams.
Keraminės-matricinės kompozicinės medžiagos (KMKM)
Kaip ir jų polimerų analogai, CMC sudaro bazinė medžiaga, vadinama matrica, ir sutvirtinantis užpildas, kuris yra kitos medžiagos dalelės ar pluoštai. Pluoštai gali būti ištisiniai arba diskretiški, atsitiktinai orientuoti, išdėstyti tiksliais kampais, specialiai susipynę, kad būtų padidintas stiprumas ir standumas tam tikromis kryptimis, arba tolygiai pasiskirstę visomis kryptimis. Tačiau, kad ir koks būtų medžiagų derinys ar pluošto orientacija, ryšys tarp matricos ir armatūros komponento yra labai svarbus medžiagos savybėms. Kadangi polimerai yra mažiau standūs nei juos sutvirtinanti medžiaga, ryšys tarp matricos ir pluošto paprastai yra pakankamai stiprus, kad medžiaga būtų atspari lenkimui. Tačiau CMCM atveju matrica gali būti standesnė už sutvirtinančius pluoštus, todėl sukibimo jėga, panašiai optimizuota, kad būtų galima šiek tiek perkelti pluoštą ir matricą, padeda, pavyzdžiui, sugerti smūgio energiją ir neleisti atsirasti įtrūkimams. kurie priešingu atveju sukeltų trapų sunaikinimą ir skilimą. Dėl to CMCM yra daug klampesnis, palyginti su gryna keramika, ir tai yra svarbiausia iš labai apkrautų judančių dalių, pavyzdžiui, reaktyvinių variklių dalių, savybių.
Lengvos ir karštos turbinos mentės
2015 m. Vasario mėn. „GE Aviation“paskelbė apie sėkmingus bandymus, kuriuos ji vadina „pirmuoju pasaulyje nestatiniu CMC rinkiniu, skirtu orlaivio varikliui“, nors bendrovė neatskleidė medžiagų, naudojamų matricai ir armatūrai. Mes kalbame apie žemo slėgio turbinos mentes eksperimentiniame F414 turboventiliatoriaus variklio modelyje, kurio sukūrimas skirtas papildomam patvirtinimui, kad medžiaga atitinka deklaruotus reikalavimus eksploatacijai esant didelėms smūgio apkrovoms. Ši veikla yra naujos kartos prisitaikančių variklių technologijų demonstravimo programos (AETD) dalis, kurioje GE bendradarbiauja su JAV oro pajėgų tyrimų laboratorija. AETD programos tikslas-pateikti pagrindines technologijas, kurias būtų galima įdiegti šeštosios kartos naikintuvų varikliuose, o nuo 2020-ųjų vidurio-ir penktosios kartos orlaivių, tokių kaip F-35, varikliuose. Prisitaikantys varikliai galės reguliuoti slėgio padidėjimą ir aplenkimo santykį skrydžio metu, kad kilimo ir kovos metu būtų pasiekta maksimali trauka arba maksimalus degalų efektyvumas kruizinio skrydžio režimu.
Bendrovė pabrėžia, kad besisukančių dalių, pagamintų iš CMC, įvedimas į „karščiausias ir labiausiai apkrautas“reaktyvinio variklio dalis yra didelis proveržis, nes anksčiau technologija leido CMC naudoti tik stacionarioms dalims, pvz. aukšto slėgio turbinos gaubtas. Bandymų metu F414 variklio KMKM turbinos mentės praėjo 500 ciklų - nuo tuščiosios eigos greičio iki kilimo traukos ir atgal.
Bendrovės teigimu, turbinos mentės yra daug lengvesnės nei įprastos nikelio lydinio mentės, todėl metaliniai diskai, prie kurių jie pritvirtinti, buvo mažesni ir lengvesni.
„Perėjimas nuo nikelio lydinių prie besisukančios keramikos variklio viduje yra tikrai didelis šuolis į priekį. Bet tai gryna mechanika “, - sakė Jonathanas Blankas,„ GE Aviation “CMC ir polimerinių rišiklių vadovas. - Lengvesni peiliai sukuria mažiau išcentrinės jėgos. Tai reiškia, kad galite sutraukti diską, guolius ir kitas dalis. KMKM leido padaryti revoliucinius reaktyvinio variklio konstrukcijos pakeitimus “.
AETD programos tikslas yra sumažinti specifines degalų sąnaudas 25%, padidinti skrydžio nuotolį daugiau nei 30% ir padidinti maksimalią trauką 10%, palyginti su pažangiausiais 5 -osios kartos naikintuvais. „Vienas didžiausių iššūkių pereinant nuo statinių CMC komponentų prie besisukančių komponentų yra įtempių laukas, kuriame jie turi veikti“, - sakė Danas McCormickas, „GE Aviation“pažangių kovinių variklių programų vadovas. Kartu jis pridūrė, kad bandant variklį F414 buvo gauti svarbūs rezultatai, kurie bus naudojami adaptyvaus ciklo variklyje. „Žemo slėgio CMC turbinos mentė sveria tris kartus mažiau nei metalinė mentė, kurią ji keičia, be to, antruoju ekonominiu režimu nereikia atvėsinti CMC mentės oru. Ašmenys dabar bus aerodinamiškai efektyvesni, nes nereikia per jį pumpuoti viso šio aušinimo oro “.
KMKM medžiagos, į kurias bendrovė teigia investavusi daugiau nei milijardą dolerių nuo tada, kai pradėjo dirbti su jomis 90 -ųjų pradžioje, gali atlaikyti šimtus laipsnių aukštesnę temperatūrą nei tradiciniai nikelio lydiniai ir pasižymi silicio karbido pluošto sutvirtinimu keraminėje matricoje.., kuris padidina jo atsparumą smūgiams ir atsparumą įtrūkimams.
Atrodo, kad GE padarė gana sunkų darbą su šiais turbinos mentėmis. Iš tiesų, kai kurios KMKM mechaninės savybės yra labai kuklios. Pavyzdžiui, tempiamasis stipris yra panašus į vario ir pigių aliuminio lydinių tempiamąjį stiprį, o tai nėra labai gerai toms dalims, kurios yra veikiamos didelių išcentrinių jėgų. Be to, jie turi mažą deformaciją lūžimo metu, tai yra, labai nedaug pailgėja. Tačiau atrodo, kad šie trūkumai buvo pašalinti, o mažas šių medžiagų svoris neabejotinai svariai prisidėjo prie naujos technologijos pergalės.
Moduliniai šarvai su nanokeramika, skirti LEOPARD 2 tankui
Sudėtinis šarvų indėlis
Nors apsaugos technologijos, susidedančios iš metalo sluoksnių, pluoštu sustiprintų polimerinių kompozitų ir keramikos, yra nusistovėjusios, pramonė ir toliau kuria vis sudėtingesnes kompozicines medžiagas, tačiau daugelis šio proceso detalių yra kruopščiai paslėptos. „Morgan Advanced Materials“yra gerai žinoma šioje srityje, praėjusiais metais Londone vykusioje konferencijoje „Armored Vehicles XV“paskelbusi apdovanojimą už SAMAS gynybos technologiją. Pasak Morgano, SAMAS apsauga, plačiai naudojama Didžiosios Britanijos armijos transporto priemonėse, yra sudėtinė medžiaga, sutvirtinta tokiomis medžiagomis kaip S-2 stiklas, E stiklas, aramidas ir polietilenas, tada suformuojama į lakštus ir sukietinama esant aukštam slėgiui: „Pluoštus galima derinti su hibridinėmis keramikos-metalo medžiagomis, kad atitiktų specialius dizaino ir eksploatacinių savybių reikalavimus “.
Pasak „Morgan“, SAMAS šarvai, kurių bendras storis yra 25 mm, naudojami įgulos apsauginėms kapsulėms gaminti, gali sumažinti lengvųjų transporto priemonių svorį daugiau nei 1000 kg, palyginti su transporto priemonėmis su plienine kapsule. Kiti privalumai yra lengvesnis remontas, kai storis yra mažesnis nei 5 mm, ir būdingos šios medžiagos įtvarų įdėklo savybės.
Aiškus spinelio progresas
JAV karinio jūrų laivyno tyrimų laboratorijos duomenimis, sparčiai vystosi ir gaminamos skaidrios medžiagos, kurių pagrindą sudaro magnio aliuminio oksidas (MgAI2O4), dar žinomas kaip dirbtinis špinelis. Spineliai jau seniai žinomi ne tik dėl savo stiprumo - 0,25 colio storio špinelis turi tas pačias balistines charakteristikas kaip ir 2,5 colio neperšaunamas stiklas, bet ir dėl to, kad sunku pagaminti dideles dalis vienodo skaidrumo. Tačiau grupė šios laboratorijos mokslininkų išrado naują žemos temperatūros sukepinimo vakuume procesą, leidžiantį gauti dalių, kurių matmenis riboja tik preso dydis. Tai didelis proveržis, lyginant su ankstesniais gamybos procesais, kurie prasidėjo originalių miltelių lydymu lydymosi tiglyje.
Viena iš naujojo proceso paslapčių yra tolygus ličio sukepinimo priedo pasiskirstymas, kuris ištirpdo ir sutepa špinelių grūdelius, kad jie būtų tolygiai pasiskirstę sukepinimo metu. Vietoj sauso ličio fluoro ir špinelio miltelių maišymo laboratorija sukūrė metodą, kaip vienodai padengti špino daleles ličio fluoridu. Tai leidžia žymiai sumažinti LiF sunaudojimą ir padidinti šviesos pralaidumą iki 99% teorinės vertės matomose ir vidutinio infraraudonųjų spindulių spektro srityse (0,4–5 mikronai).
Naujasis procesas, leidžiantis gaminti įvairių formų optiką, įskaitant lakštus, kurie patogiai priglunda prie lėktuvo ar bepiločio orlaivio sparnų, yra licencijuota neįvardytos bendrovės. Galimas špinelio panaudojimas apima šarvuotą stiklą, sveriantį mažiau nei pusę esamo stiklo masės, apsaugines kaukes kareiviams, naujos kartos lazerių optiką ir multispektrinius jutiklių stiklus. Kai masiškai gaminami, pavyzdžiui, išmaniesiems telefonams ir planšetiniams kompiuteriams skirti įtrūkimams atsparūs akiniai, „spinel“produktų kaina žymiai sumažės.
PERLUCOR - naujas etapas apsaugos nuo kulkų ir nusidėvėjimo sistemose
Prieš kelerius metus „CeramTec-ETEC“sukūrė skaidrią keramiką „PERLUCOR“su geromis perspektyvomis tiek gynybai, tiek civiliniam naudojimui. Puikios fizinės, cheminės ir mechaninės PERLUCOR savybės buvo pagrindinės sėkmingos šios medžiagos patekimo į rinką priežastys.
„PERLUCOR“santykinis skaidrumas yra didesnis nei 90%, jis yra tris ar keturis kartus stipresnis ir kietesnis už įprastą stiklą, šios medžiagos atsparumas karščiui yra maždaug tris kartus didesnis, todėl jį galima naudoti esant iki 1600 ° C temperatūrai. pasižymi ypač dideliu atsparumu cheminėms medžiagoms, todėl jį galima naudoti su koncentruotomis rūgštimis ir šarmais. PERLUCOR turi aukštą lūžio rodiklį (1, 72), kuris leidžia gaminti miniatiūrinių matmenų optinius objektyvus ir optinius elementus, tai yra, gauti prietaisus su galingu padidinimu, kurio neįmanoma pasiekti naudojant polimerus ar stiklą. PERLUCOR keraminių plytelių standartinis dydis yra 90x90 mm; tačiau „CeramTec-ETEC“sukūrė sudėtingų formų lakštų gamybos technologiją, pagrįstą šiuo formatu pagal kliento specifikacijas. Plokščių storis ypatingais atvejais gali būti dešimtadalis milimetro, tačiau paprastai jis yra 2-10 mm.
Lengvesnių ir plonesnių gynybos rinkos apsaugos sistemų kūrimas vyksta sparčiai. Nemažai prisideda prie šio proceso permatoma „SegamTes“įmonės keramika, kuri yra daugelio gamintojų apsaugos sistemų dalis. Bandant pagal STANAG 4569 arba APSD, svoris sumažėja maždaug 30–60 proc.
Pastaraisiais metais susiformavo dar viena „SegatTes-ETEC“sukurtų technologijų kūrimo kryptis. Transporto priemonių langai, ypač uolėtose ir dykumose, tokiose kaip Afganistanas, yra linkę į akmeninius smūgius ir įbrėžimus dėl judančių valytuvų šluotelių ant smėlėto, dulkėto priekinio stiklo. Taip pat sumažėja neperšaunamų stiklų, sugadintų akmeniniais smūgiais, balistinės charakteristikos. Karo veiksmų metu transporto priemonės su pažeistu stiklu susiduria su rimta ir nenuspėjama rizika. „SegamTes-ETEC“sukūrė tikrai novatorišką ir originalų sprendimą, kaip apsaugoti stiklą nuo tokio susidėvėjimo. Plonas (<1 mm) PERLUCOR keraminės dangos sluoksnis ant priekinio stiklo paviršiaus padeda sėkmingai atsispirti tokiai žalai. Ši apsauga taip pat tinka optiniams instrumentams, tokiems kaip teleskopai, lęšiai, infraraudonųjų spindulių įranga ir kiti jutikliai. Ploni ir išlenkti lęšiai, pagaminti iš skaidrios PERLUCOR keramikos, prailgina šios labai vertingos ir jautrios optinės įrangos tarnavimo laiką.
„CeramTec-ETEC“sėkmingai pristatė neperšaunamo stiklo durų skydą ir įbrėžimams bei akmenims atsparią apsauginę plokštę Londono „DSEI 2015“.
Patvari ir lanksti nanokeramika
Lankstumas ir atsparumas nėra savybės, būdingos keramikai, tačiau mokslininkų komanda, vadovaujama medžiagų mokslo ir mechanikos profesorės Julijos Greer iš Kalifornijos technologijos instituto, ėmėsi problemos. Mokslininkai naująją medžiagą apibūdina kaip „tvirtus, lengvus, regeneruojamus trimatius keraminius nanodaleles“. Tačiau taip pavadintas straipsnis, kurį Greer ir jos studentai prieš porą metų paskelbė moksliniame žurnale.
Tai, kas paslėpta apačioje, geriausiai iliustruoja kelių dešimčių mikronų dydžio aliuminio oksido nanodalelių kubas, paimtas elektroniniu mikroskopu. Veikiant kroviniui, jis susitraukia 85% ir, pašalinus, atkuriamas pradinis dydis. Eksperimentai taip pat buvo atlikti su grotelėmis, susidedančiomis iš skirtingo storio vamzdžių, o ploniausi vamzdžiai buvo stipriausi ir elastingiausi. Kai vamzdžio sienelės storis buvo 50 nanometrų, grotelės sugriuvo, o sienelės storis - 10 nanometrų, ji grįžo į pradinę būseną - pavyzdys, kaip dydžio efektas padidina kai kurių medžiagų stiprumą. Teorija tai paaiškina tuo, kad mažėjant dydžiui, birių medžiagų defektų skaičius proporcingai mažėja. Naudojant šią tuščiavidurių vamzdžių gardelės struktūrą, 99,9% kubo tūrio yra oras.
Profesoriaus Greerio komanda sukuria šias mažas struktūras vykdydama procesą, panašų į 3D spausdinimą. Kiekvienas procesas prasideda nuo CAD failo, kuriuo varomi du lazeriai, „nudažantys“struktūrą trimis matmenimis, sukietinantys polimerą tose vietose, kur spinduliai fazėje stiprina vienas kitą. Nesukietėjęs polimeras teka iš sukietėjusio tinklelio, kuris dabar tampa pagrindu galutinei struktūrai sudaryti. Tada tyrėjai padengia aliuminio oksidą ant pagrindo, naudodami metodą, kuris tiksliai kontroliuoja dangos storį. Galiausiai grotelių galai supjaustomi, kad būtų pašalintas polimeras, paliekant tik tuščiavidurių aliuminio oksido vamzdelių kristalinę gardelę.
Plieno stiprumas, bet sveria kaip oras
Tokių „inžinerinių“medžiagų, kurių tūris daugiausia yra oras, bet kurios yra mažiau tvirtos kaip plienas, potencialas yra didžiulis, tačiau sunkiai suvokiamas, todėl profesorius Greeris pateikė keletą ryškių pavyzdžių. Pirmasis pavyzdys - balionai, iš kurių išsiurbiamas helis, tačiau tuo pačiu išlaikant formą. Antrasis, būsimas orlaivis, kurio konstrukcija sveria tiek, kiek sveria rankinis modelis. Labiausiai stebina tai, kad jei garsusis Aukso vartų tiltas būtų pagamintas iš tokių nanotinklių, visas jo statybai reikalingas medžiagas būtų galima uždėti (išskyrus orą) ant žmogaus delno.
Kaip didžiuliai šių kietų, lengvų ir karščiui atsparių medžiagų, tinkamų daugybei karinių objektų, struktūriniai pranašumai, jų iš anksto nustatytos elektrinės savybės gali pakeisti energijos kaupimą ir gamybą: „Šios nanostruktūros yra labai lengvos, mechaniškai stabilios ir tuo pačiu didžiulės dydžio paviršius, tai yra, galime naudoti įvairiose elektrocheminio tipo programose “.
Tai ypač efektyvūs akumuliatorių ir kuro elementų elektrodai, jie yra puoselėjamas autonominių maitinimo šaltinių, nešiojamų ir gabenamų jėgainių tikslas, taip pat tikras saulės elementų technologijų proveržis.
„Šiuo atžvilgiu taip pat galima įvardyti fotoninius kristalus“, - sakė Greeris. "Šios struktūros leidžia jums manipuliuoti šviesa taip, kad galėtumėte ją visiškai užfiksuoti, o tai reiškia, kad galite sukurti daug efektyvesnius saulės elementus - jūs užfiksuojate visą šviesą ir jūs neturite jokių atspindžių."
„Visa tai rodo, kad dydžio efekto derinys nanomedžiagose ir struktūriniuose elementuose leidžia mums sukurti naujas medžiagų klases, kurių savybės nebuvo pasiektos“, - sakė profesorius Greeris iš Europos branduolinių tyrimų organizacijos Šveicarijoje. „Didžiausias iššūkis, su kuriuo susiduriame, yra tai, kaip padidinti mastą ir pereiti nuo nano prie mūsų pasaulio dydžio“.
Pramoninė skaidri keraminė apsauga
„IBD Deisenroth Engineering“sukūrė skaidrius keraminius šarvus, kurių balistinės savybės prilygsta nepermatomiems keraminiams šarvams. Šie nauji skaidrūs šarvai yra apie 70% lengvesni už šarvuotą stiklą ir gali būti surenkami į konstrukcijas, turinčias tas pačias kelių smūgių charakteristikas (gebėjimą atlaikyti kelis smūgius) kaip ir nepermatomi šarvai. Tai leidžia ne tik smarkiai sumažinti transporto priemonių masę su dideliais langais, bet ir uždaryti visas balistines spragas.
Norint gauti apsaugą pagal STANAG 4569 3 lygį, neperšaunamo stiklo paviršiaus tankis yra maždaug 200 kg / m2. Turint tipišką trijų kvadratinių metrų sunkvežimio langų plotą, neperšaunamų stiklų masė bus 600 kg. Pakeitus tokius neperšaunamus stiklus IBD keramika, svoris sumažės daugiau nei 400 kg. Skaidri keramika iš IBD yra tolesnė IBD NANOTech keramikos plėtra. IBD pavyko sukurti specialius klijavimo procesus, kurie naudojami keraminėms plytelėms („mozaikinėms permatomoms šarvoms“) surinkti, o po to šiuos agregatus laminuoti ant tvirtų struktūrinių sluoksnių, kad susidarytų didelės langų plokštės. Dėl išskirtinių šios keraminės medžiagos savybių galima pagaminti žymiai mažesnio svorio permatomas šarvo plokštes. Pagrindas kartu su natūraliu NANO pluošto laminatu dar labiau pagerina naujos skaidrios apsaugos balistines savybes dėl didesnės energijos absorbcijos.
Izraelio kompanija OSG (Oran Safety Glass), reaguodama į didėjantį nestabilumo ir įtampos lygį visame pasaulyje, sukūrė platų neperšaunamo stiklo gaminių asortimentą. Jie yra specialiai sukurti gynybos ir civiliniams sektoriams, kariuomenei, sukarintoms pajėgoms, didelės rizikos civilinėms profesijoms, statybos ir automobilių pramonei. Bendrovė rinkai siūlo tokias technologijas: skaidrūs apsaugos sprendimai, balistinės apsaugos sprendimai, papildomos pažangios šarvų sistemos, skaitmeniniai vaizdiniai langai, avarinio išėjimo langai, keraminiai langai su spalvoto ekrano technologija, integruotos indikatorinės šviesos sistemos, smūgiams atsparūs stiklo skydai ir galiausiai-ADI apsaugos nuo skilimo technologija.
Skaidrios OSG medžiagos nuolatos tikrinamos realiose gyvenimo situacijose: atremiamos fizinės ir balistinės atakos, gelbėjamos gyvybės ir saugomas turtas. Visos šarvuotos skaidrios medžiagos buvo sukurtos laikantis pagrindinių tarptautinių standartų.
