زره های كامپوزیتی سرامیكی

[P O U R I A]

سرامیك ها به علت سختی بالا و چگالی كمتر نسبت به فلزات، به طور موفقیت آمیزی به عنوان زره در صنایع نظامی به كار گرفته میشوند. زره های كامپوزیتی سرامیكی بیشتر د رجلیقه های ضدگلوله، تانك ها، خودروهای نظامی و اجزای مهم هلیكوپترها به كار می روند. ساز و كار حفاظت بالستیك در سرامیك ها و فلزات با یكدیگر متفاوت است. فلزات با تغییر شكل خود موجب جذب انرژی جنبشی گلوله می شوند درحالیكه سرامیك ها این انرژی را به واسطه شكست خود جذب می كنند.
زره های كامپوزیتی سرامیكی معمولاً شامل یك سرامیك تك فاز یا یك بدنه كامپوزیتی سرامیكی هستند كه به وسیله یك لایه انعطاف پذیر نظیر كولار، اسپكترا، فایبرگلاس یا دیگر مواد پلیمری حفاظت می شوند. علاوه بر آن فلزات نرمی نظیر آلومینیوم نیز می توانند به عنوان لایه محافظ استفاده شوند.
معمولاً سرعت گلوله ها بین m/s 1500-700 متغیر بوده و سطح سخت سرامیك در اثر برخورد ترك خورده و شكسته می شود. مابقی انرژی جنبشی گلوله نیز به وسیله لایه انعطاف پذیر و نرم پشتی جذب می شود.
دو دسته سرامیك سخت برای حفاظت های بالستیكی وجود دارند كه عبارتند از:

1- سرامیك های تك فاز مانند:​

Al2O3, SiC, B4C, Si3N4, AlN, TiB2​

2- سرامیك های كامپوزیتی مانند:​

الف- Al2O3/SiC(w), Al2O3/SiC(f), Al2O3/C(f)​

ب- TiB2/B4C(p), TiB2/SiC(p)​

ج- Ni/TiC(p), Al/SiC, Al/B4C(p)​

اولین نسل سیستم های زرهی سبك، تركیبی از كاشی های زینتر شده Al2O3 به ضخامت 5/8 میلیمتر بود كه یك لایه آلومینیوم یا فایبرگلاس در پشت آن قرار داشت. در اوایل سال 1960 شركت نورتون برای اولین بار نسل جدیدی از زره های B4C با پرس گرم تولید كرد. B4C به دلیل چگالی كم، زرهی را به دست می دهدكه وزن آن تقریباً سی درصد كمتر از زره آلومینایی است. هردوی این تركیب ها برای كاربردهای شخصی و محافظت اجزای هلیكوپترها به كار می رفتند.
در دهه هفتاد میلادی انواع دیگری از سرامیك ها در سیستم های پیچیده زرهی با موفقیت استفاده شدند. این سرامیك ها شامل تركیبات نیتریدی، اسپینل و تركیبی از كاربیدها، سیلیكون كاربید و سیلیكون بود. در جدول 1 ویژگیهای مهم سرامیك های زرهی نشان داده شده است.

 

[P O U R I A]

این جدول نشان می دهد كه B4C بهترین ماده سرامیكی در این كاربردهاست، چرا كه علاوه بر بیشترین سختی از كم ترین چگالی نیز برخوردار است. البته B4C دارای ضریب كشسانی بالایی نیز است كه پیش بینی می شود به قابلیت بهتر آن در پخش كردن انرژی گلوله در یك سطح بزرگتر منجر شود، اما قیمت بالای B4C تولید اقتصادی آن را كمی حساس نموده است.
همانگونه كه گفته شد تمام زره های كامپوزیتی سرامیكی دارای یك ویژگی مشتركند یعنی شامل یك سطح سخت و ترد هستند كه در پشت آن یك ماده نرم و انعطاف پذیر نظیر پلاستیك های تقویت شده با شیشه یا كولار قرار می گیرد. هنگامی كه یك سیستم زرهی تحت ضربه گلوله های سوراخ كننده قرار می گیرد، قسمت كره ای گلوله در اولین لحظات شكسته می شودو پس آز آن انرژی باقیمانده به وسیله لایه پشتی جذب می شود. سیستم های كامپوزیتی سرامیكی برتری استحكام و سختی بالای سطح سرامیكی و نرمی وانعطاف پذیری لایه محافظ پشتی را دارند. این دو ماده به صورت لایه ای در كنار یكدیگر قرار می گیرند.

در هنگام ضربه، هسته گلوله با سرامیك برخورد می كند و مقدار قابل توجهی از انرژی گلوله به وسیله سرامیك جذب می شودف مابقی انرژی نیز به وسیله لایه پشتی جذب می شود.
كارایی بالستیكی سرامیك های مورد استفاده در زره ها به عوامل گوناگونی وابسته است. این عوامل شامل چگالی، تخلخل، سختی، چقرمگی شكست، مدول یانگ، سرعت صوت و استحكام مكانیكی سرامیك بوده و عوامل دیگر از تأثیر چندانی برخوردار نیستند. ویژگیهای ریز ساختاری نیز بر روی ویژگیهای فیزیكی و توسعه ترك تأثیر به سزایی داشته و كارایی بالستیكی را تحت تأثیر خود قرار می دهند.

سیستم های زرهی سرامیكی در كاربردهای جنگی و غیرجنگی به كار گرفته می شوند. مهم ترین كاربردهای جنگی آنها عبارتند از: انواع هلیكوپترها، هواپیماهای جنگی، خودروها، كامیون ها و تانك های جنگی ، محل استقرار تیر بار در عرشه كشتی، پناهگاه ها و جلیقه های ضدگلوله برای نیروهای پیاده. مهم ترین كاربردهای غیرجنگی آنها عبارتند از: جلیقه ضدگلوله نیروهای پلیس، ماشین های گشتی و ماشین های حمل پول.

در اوایل دهه 90 میلادی جلیقه های ضدگلوله خیلی سنگین بودند. حتی زره های پیشرفته آلومینای كه در سال 1993 در موگادیشو و سومالی توسط ارتش آمریكا به كار گرفته شدند، وزنی معادل kg 3/11 داشتند. این مسئله موجب كاهش قوای حركتی سربازان و خستگی زیاد آنها می شد و قدرت تهاجم و روحیه جنگی آنها را تحت تأثیر قرار می داد. در راستای كاهش وزن جلیقه های ضدگلوله، بعضی از شركت ها تلاش خود را بر روی بهبود كیفیمواد محافظ پشتی و كنترل ابعاد سرامیك، متمركز كرده اند به طوری كه امروزه وزن جلیقه های ضدگلوله تقریباً تا kg 7 كاهش یافته است. در سال 2001 دولت آمریكا بیش از 30،000 صفحه زرهی سرامیكی تولید كرد و قراردادهایی نیز برای تولید 130،000 صفحه بست.
مورد استفاده مهم دیگر زره های كامپوزیتی سرامیكی در خودروای جنگی، به خصوص نفربرها و تانك هاست. در تانك ها به منظور محافظت بیشتر، از پوشش های چندلایه و ضخیم استفاده می كنند؛ چرا كه معمولاً از گلوله های با انرژی جنبشی خیلی زیاد برای هدف قرار دادن تانك ها استفاده می شود. امروزه در تانك هایی نظیر آبرامز(Abrams)، T-80 و T-55 زره های كامپوزیتی سرامیكیبه كار می روند.


درمورد نفربرها كه حساسیت كمتر است، معمولاً از ضخامت كمتر زره استفاده می شود. یكی از روش های متعدد چیدمان لایه سرامیكی چیدن كاشی های شش ضلعی سرامیكی در كنار یكدیگر است. حالت شش ضلعی سرامیك ها سبب می شود تا شیارها در یك راستا نبوده و توسعه ترك با سرعت كمتری صورت گیرد. این زره به سادگی توسط سربازان نصب شده و پس از اصابت گلوله میتوان قسمت های آسیب دیده را با كاشی های سالم تعویض نمود.
مهم ترین شركت های تولیدكننده زره های سرامیكی در جهان عبارتند از:

شركت سراداین (Ceradyne)​

این شركت از سال 1970 در طراحی و ساخت مواد سرامیكی مهندسی فعالیت كرده است و از اواخر دهه 70 شروع به تولید محصولات زرهی با تركیبات TiB2, Al2O3, Si3N4, SiC, B4C كرده و امروز به عنوان یكی از بزرگترین پیشتازان تولید زره های سرامیكی در دنیا شناخته شده است.​

شركت كورس تك (Coors Tek)​

این شركت با استفاده از روش پرس ایزواستاتیك گرم، كاشی های سرامیكی با تركیبات Al2O3, Si3N4, AlN, B4C, SiC را تولید می كند.​

شركت سیمولا گاورمنت پروداكتز (Simula Government Products)​

این شركت در نوع خود از بزرگترین شركت های سازنده زره بوده و زره های سرامیكی خریداری شده از شركت های دیگر را در كنار یكدیگر سوار می كند.​

شركت كربوراندوم (Carbourundum)​

این شركت تولیدكننده زره های فرم sic- ? است.​