Ceramiczna seria kuloodporna - Porównanie głównych materiałów ceramicznych do kuloodporności
Głównymi materiałami ceramicznymi, które można wykorzystać jako materiały kuloodporne, są tlenek glinu,węglik krzemu, węglik boru,azotek krzemui borek tytanu. Wśród nich najczęściej stosuje się ceramikę z tlenku glinu (Al2O3), ceramikę z węglika krzemu (SiC) i ceramikę z węglika boru (B4C). Kuloodporna ceramika z tlenku glinu ma niską twardość (HRA90) i wysoką gęstość w porównaniu z pozostałymi dwoma, ale jest tańsza. Kuloodporna ceramika z węglika krzemu ma najwyższą twardość i najlepszą wydajność spośród tych 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, która występuje 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 kuloodpornej, tlenek glinu jest nie tylko najsilniejszy i najtwardszy spośród wszystkich tlenków, ale ma również dobrą odporność na utlenianie, obojętność chemiczną i niski koszt oraz jest łatwy do uzyskania. Ponadto wyroby spiekane są szeroko stosowane w różnych pojazdach opancerzonych oraz wojskowej i policyjnej odzieży kuloodpornej ze względu na ich gładką powierzchnię, stabilne rozmiary 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 wysoka gęstość tlenku glinu nie może sprostać trendowi lekkiego pancerza.
SiC ma unikalną strukturę krystaliczną. Używając jednego z czterech atomów węgla jako środka i atomów krzemu jako sparowanych atomów, wybiera się jeden z czterech najbardziej zewnętrznych elektronów, aby sparował się z najbardziej zewnętrznym elektronem środkowego atomu węgla. Dzięki cyklicznemu działaniu ostateczna struktura jest równoważna strukturze czworościanu diamentu złożonego z wiązań Si-C, który wykazuje niezwykle wysoką twardość. Jednocześnie ta struktura ma silne wiązania kowalencyjne i wysoką energię wiązania Si-C, dzięki czemu materiały z węglika krzemu mają właściwości wysokiego modułu, wysokiej twardości i wysokiej wytrzymałości właściwej.
Właściwości ceramiki z węglika krzemu w różnych procesach spiekania
| Własność SIC | Spiekanie na gorąco | Prasowanie izostatyczne na gorąco | Spiekanie reakcyjne | Iskrowe spiekanie plazmowe |
| 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 nietlenkowy materiał ceramiczny o wysokiej twardości, ustępujący jedynie diamentowi, sześciennemu azotkowi borowi i węglikowi boru. Ze względu na małą gęstość i wysoką twardość ta ceramika jest bardzo odpowiednia doochrona balistyczna, i znajduje się w strefie pośredniej między tlenkiem glinu a węglikiem boru pod względem właściwości mechanicznych, gęstości, właściwości balistycznych i kosztów aplikacji.
Wady: Struktura molekularna i właściwości węglika krzemu determinują jego niższą udarność. Po uderzeniu pociskiem jego ultra-wysoka wytrzymałość może całkowicie oprzeć się ogromnej energii kinetycznej pocisku i natychmiast rozbić pocisk, ale pęknie również, a nawet rozpadnie się na kawałki w momencie uderzenia, co sprawia, że płyta ceramiczna z węglika krzemu nadaje się tylko do niektórych obszarów kuloodporności. Jednak wielu badaczy zajmujących się materiałoznawstwem molekularnym twierdzi obecnie, że niską ciągliwość węglika krzemu można teoretycznie skompensować i przezwyciężyć poprzez kontrolowanie procesu spiekania i przygotowania włókien ceramicznych. To znacznie rozszerzy 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 strukturze romboedrycznej każda komórka elementarna zawiera 15 atomów, z których 12 atomów (B11C) tworzy dwudziestościan, tworząc strukturę przestrzenną, podczas gdy pozostałe trzy atomy łączą się, tworząc łańcuch CBC. Dwudziestościan jest połączony z łańcuchem CBC wiązaniami kowalencyjnymi, tworząc stosunkowo stabilną strukturę. Jednocześnie jego pierwiastki składowe, węgiel i bor, mają bardzo podobne właściwości i promienie atomowe, dzięki czemu B4C ma doskonałe właściwości, których nie mają inne ceramiki nietlenkowe.
Właściwości węglika boru w różnych procesach spiekania
| Własność B4C | Spiekanie na gorąco | Prasowanie izostatyczne na gorąco | Spiekanie reakcyjne | Iskrowe spiekanie plazmowe |
| 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 wysokotemperaturowa i dobre właściwości mechaniczne. Jednocześnie jego gęstość jest najniższa spośród kilku powszechnie stosowanych ceramik pancernych, a wysoki moduł sprężystości sprawia, że jest dobrym wyborem na zbroje wojskowe i materiały kosmiczne.
Wady: Ze względu na wysoce kowalencyjny charakter wiązań kowalencyjnych między atomami boru i węgla, jego spiekanie jest słabe. Dlatego konieczne jest stosowanie wysokich temperatur spiekania, bardzo zbliżonych do temperatury topnienia materiału. Te wysokie temperatury prowadzą do powstawania porów resztkowych i późniejszych 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.
