Seria ceramiczna kuloodporna - porównanie głównych materiałów ceramicznych do kuloodporności
Głównymi materiałami ceramicznymi, które można zastosować jako materiały kuloodporne są tlenek glinu,węglik krzemu, węglik boru,azotek krzemui borek tytanu. Wśród nich najczęściej stosowane są ceramika z tlenku glinu (Al2O3), ceramika z węglika krzemu (SiC) i ceramika z węglika boru (B4C). Ceramika kuloodporna z tlenku glinu ma niską twardość (HRA90) i dużą gęstość w porównaniu do pozostałych dwóch, ale jest tańsza. Kuloodporna ceramika z węglika krzemu ma najwyższą twardość i najlepszą wydajność spośród trzech, ale jest również znacznie droższa niż pozostałe dwa materiały. Twardość kuloodpornej ceramiki z węglika krzemu może osiągnąć HRA92, a gęstość wynosi tylko 82% gęstości kuloodpornych płyt z tlenku glinu, przy umiarkowanej cenie i szerszym zastosowaniu.
Ceramika z tlenku glinu to seria materiałów ceramicznych opartych na wysokotemperaturowym tlenku glinu (α-Al2O3) jako głównej fazie krystalicznej, a α-Al2O3 jest jedyną odmianą Al2O3 występującą naturalnie na świecie. Ma najbardziej zwartą strukturę, najniższą reaktywność i najlepsze właściwości elektrochemiczne spośród wszystkich wariantów i może pozostać stabilny we wszystkich temperaturach.
Właściwości ceramiki z tlenku glinu
| Właściwość Al2O3 | Spiekanie |
| Gęstość (g/cm3) | 3,6-3,95 |
| Wytrzymałość na zginanie (Mpa) | 200-400 |
| Moduł Younga (Gpa) | 300-450 |
| Odporność na pękanie (Mpa.m1/2) | 3,0-4,5 |
| Twardość (Gpa) | 12-18 |
Zalety: Jako materiał ceramiczny pierwszej generacji w dziedzinie kuloodporności, tlenek glinu jest nie tylko najsilniejszym i najtwardszym ze wszystkich tlenków, ale ma również dobrą odporność na utlenianie, obojętność chemiczną i niski koszt, a także jest łatwy do uzyskania. Ponadto produkty spiekane są szeroko stosowane w różnych pojazdach opancerzonych oraz odzieży kuloodpornej dla wojska i policji ze względu na ich gładką powierzchnię, stabilny rozmiar i niską cenę.
Wady: niska wytrzymałość na zginanie i pękanie oraz niska odporność na szok termiczny. Ponadto wydajność tlenku glinu jest bardzo zróżnicowana, głównie w zależności od parametrów procesu, zawartości zanieczyszczeń, wielkości cząstek i temperatury spiekania. Jednocześnie duża gęstość tlenku glinu nie jest w stanie sprostać trendowi lekkiego pancerza.
SiC ma unikalną strukturę krystaliczną. Używając jednego z czterech atomów węgla jako centrum i atomów krzemu jako sparowanych atomów, wybiera się jeden z czterech najbardziej zewnętrznych elektronów do sparowania z najbardziej zewnętrznym elektronem środkowego atomu węgla. Dzięki działaniu cyklicznemu ostateczna struktura odpowiada strukturze czworościanu diamentu złożonego z wiązań Si-C, który charakteryzuje się wyjątkowo dużą twardością. Jednocześnie struktura ta ma silne wiązania kowalencyjne i wysoką energię wiązania Si-C, dzięki czemu materiały z węglika krzemu charakteryzują się wysokim modułem, wysoką twardością i wysoką wytrzymałością właściwą.
Właściwości ceramiki z węglika krzemu w różnych procesach spiekania
| Nieruchomość SIC | Spiekanie na gorąco | Prasowanie izostatyczne na gorąco | Spiekanie reakcyjne | Spiekanie plazmowe iskrowe |
| Gęstość (g/cm3) | 3,25-3,28 | 3.01-3.13 | 3.02 | 3.12-3.20 |
| Wytrzymałość na zginanie (Mpa) | 500-730 | 366-950 | 260 | 420-850 |
| Moduł Younga (Gpa) | 440-450 | - | 359 | 420-460 |
| Odporność na pękanie (Mpa.m1/2) | 5,0-5,5 | 4,51-5,79 | 4.00 | 3,4-7,0 |
| Twardość (Gpa) | 20 | 10,5-20,0 | 17.23 | 19,8-32,7 |
Zalety: Jest to najczęściej stosowany beztlenkowy materiał ceramiczny o wysokiej twardości, ustępując jedynie diamentowi, sześciennemu azotkowi boru i węglikowi boru. Ze względu na niską gęstość i wysoką twardość, ceramika ta jest bardzo odpowiedniaochrona balistycznai znajduje się w strefie pośredniej pomiędzy tlenkiem glinu i węglikiem boru pod względem właściwości mechanicznych, właściwości gęstościowych, właściwości balistycznych i kosztów aplikacji.
Wady: Struktura molekularna i właściwości węglika krzemu decydują o jego niższej wytrzymałości. Po trafieniu pociskiem jego ultrawysoka wytrzymałość jest w stanie całkowicie oprzeć się ogromnej energii kinetycznej pocisku i natychmiast go rozbić, ale w momencie uderzenia pęknie lub nawet rozbije się na kawałki, co sprawia, że płyta ceramiczna z węglika krzemu nadaje się tylko do niektórych obszarów kuloodporności. Jednakże wielu badaczy zajmujących się molekularną nauką o materiałach twierdzi obecnie, że niską wytrzymałość węglika krzemu można teoretycznie zrekompensować i przezwyciężyć poprzez kontrolowanie procesu spiekania i przygotowania włókien ceramicznych. To znacznie poszerzy zakres zastosowań węglika krzemu w dziedzinie kuloodporności, czyniąc go idealnym materiałem do produkcji sprzętu kuloodpornego.
3. Węglik boru ceramiczny
Kryształ węglika boru należy do typu struktury romboedrycznej. W swojej romboedrycznej strukturze każda komórka elementarna zawiera 15 atomów, z czego 12 atomów (B11C) tworzy dwudziestościan, tworząc strukturę przestrzenną, natomiast pozostałe trzy atomy łączą się, tworząc łańcuch CBC. Dwudziestościan jest połączony z łańcuchem CBC poprzez wiązania kowalencyjne, tworząc stosunkowo stabilną strukturę. Jednocześnie jego pierwiastki składowe, węgiel i bor, mają bardzo podobne właściwości i promienie atomowe, w wyniku czego B4C ma doskonałe właściwości, których nie mają inne ceramiki nietlenkowe.
Właściwości węglika boru w różnych procesach spiekania
| Nieruchomość B4C | Spiekanie na gorąco | Prasowanie izostatyczne na gorąco | Spiekanie reakcyjne | Spiekanie plazmowe iskrowe |
| Gęstość (g/cm3) | 2,45-2,52 | 2,42-2,51 | 2,48-2,54 | 2,43-2,60 |
| Wytrzymałość na zginanie (Mpa) | 200-500 | 365-627 | 235-321 | 607-627 |
| Moduł Younga (Gpa) | 440-460 | 393-444 | 330-426 | 403-590 |
| Odporność na pękanie (Mpa.m1/2) | 2,0-4,7 | 2.4-3.3 | 4.1-4.4 | 2,8-5,8 |
| Twardość (Gpa) | 29-35 | 25-31 | 13,4-18,0 | 30,5-38,3 |
Zalety: Prawie stała twardość w wysokich temperaturach i dobre właściwości mechaniczne. Jednocześnie jego gęstość jest najniższą spośród kilku powszechnie stosowanych ceramiki pancernej, a wysoki moduł sprężystości sprawia, że jest to dobry wybór do wojskowych materiałów pancernych i kosmicznych.
Wady: Ze względu na wysoce kowalencyjny charakter wiązań kowalencyjnych pomiędzy atomami boru i węgla, jego spiekanie jest słabe. Dlatego konieczne jest stosowanie wysokich temperatur spiekania, bardzo bliskich temperaturze topnienia materiału. Te wysokie temperatury prowadzą do powstawania porów i odstępów między ziarnami, co pogarsza właściwości i wydajność materiału. Dlatego zwykle stosuje się prasowanie na gorąco lub prasowanie izostatyczne na gorąco, co prowadzi do wyższych kosztów produkcji.
