Военните превозни средства традиционно се произвеждат от тежка, скъпа, но високоякостна бронирана стомана. Съвременните керамични композитни материали все повече се използват като неносеща защита за бойни превозни средства. Основните предимства на такива материали са значително по -ниска цена, подобрена защита и намаляване на теглото с повече от половината. Помислете за съвременните основни керамични материали, използвани днес за балистична защита
Поради способността си да издържа на много високи температури, значително по -високи от тези на металите, твърдост, най -висока специфична якост и специфична коравина, керамиката се използва широко за производството на накладки за двигатели, компоненти на ракетите, режещи ръбове на инструменти, специални прозрачни и непрозрачни щитове, които, разбира се, са сред приоритетните области за развитието на военните системи. В бъдеще обаче обхватът на неговото приложение трябва значително да се разшири, тъй като в рамките на изследванията и разработките, проведени в много страни по света, се търсят нови начини за повишаване на пластичността, устойчивостта на напукване и други желани механични свойства комбиниране на керамична основа с подсилващи влакна в така наречената керамична матрица.композитни материали (KMKM). Също така новите производствени технологии ще позволят масовото производство на много издръжливи, висококачествени прозрачни продукти със сложни форми и големи размери от материали, които предават видими и инфрачервени вълни. В допълнение, създаването на нови структури, използващи нанотехнологии, ще позволи да се получат трайни и леки, устойчиви на прегряване, химически устойчиви и в същото време на практика неразрушими материали. Тази комбинация от имоти днес се счита за взаимно изключваща се и поради това е много привлекателна за военни приложения.
Керамично-матрични композитни материали (KMKM)
Подобно на техните полимерни аналози, CMC се състоят от основно вещество, наречено матрица, и подсилващ пълнител, който е частици или влакна от друг материал. Влакната могат да бъдат непрекъснати или дискретни, произволно ориентирани, поставени под точни ъгли, преплетени по специален начин за постигане на повишена здравина и скованост в дадени посоки или равномерно разпределени във всички посоки. Каквато и да е комбинацията от материали или ориентацията на влакната, връзката между матрицата и подсилващия компонент е от решаващо значение за свойствата на материала. Тъй като полимерите са по -малко твърди от материала, който ги подсилва, връзката между матрицата и влакната обикновено е достатъчно здрава, за да позволи на материала да устои на огъване като цяло. Въпреки това, в случая на CMCM, матрицата може да бъде по -твърда от армиращите влакна, така че свързващата сила, подобно оптимизирана, за да позволи лека делокализация на влакното и матрицата, помага да се абсорбира енергията на удара например и да се предотврати развитието на пукнатини това в противен случай би довело до крехко разрушаване и разцепване. Това прави CMCM много по -вискозен в сравнение с чистата керамика и това е най -важното от свойствата на силно натоварени движещи се части, например части от реактивни двигатели.
Леки и горещи лопатки на турбината
През февруари 2015 г. GE Aviation обяви успешни изпитания на това, което нарича „първият в света нестатичен CMC комплект за самолетен двигател“, въпреки че компанията не разкрива материалите, използвани за матрицата и армиращия материал. Говорим за турбинни лопатки с ниско налягане в експериментален модел на турбовентилаторния двигател F414, чиято разработка има за цел да осигури допълнително потвърждение на съответствието на материала с декларираните изисквания за работа при високи ударни натоварвания. Тази дейност е част от демонстрационната програма за адаптивни двигатели за адаптивни двигатели (AETD) от следващо поколение, в която GE си сътрудничи с изследователската лаборатория на ВВС на САЩ. Целта на програмата AETD е да предостави ключови технологии, които биха могли да бъдат внедрени в двигатели на изтребители от шесто поколение и, започвайки от средата на 2020-те, в двигатели на самолети от пето поколение, като F-35. Адаптивните двигатели ще могат да регулират коефициента на повишаване на налягането и байпаса по време на полет, за да получат максимална тяга по време на излитане и в бой или максимална ефективност на горивото в режим круизен полет.
Компанията подчертава, че въвеждането на въртящи се части от CMC в „най -горещите и силно натоварени“части на реактивен двигател представлява значителен пробив, тъй като преди технологията позволяваше използването на CMC само за производство на неподвижни части, например кожух на турбина с високо налягане. По време на изпитанията турбините KMKM в двигателя F414 преминаха през 500 цикъла - от оборотите на празен ход до излитателната тяга и обратно.
Остриетата на турбините са много по -леки от конвенционалните остриета от никелова сплав, което позволява металните дискове, към които са прикрепени, да бъдат по -малки и по -леки, съобщават от компанията.
„Преминаването от никелови сплави към въртяща се керамика в двигателя е наистина голям скок напред. Но това е чиста механика “, казва Джонатан Бланк, ръководител на CMC и полимерни свързващи вещества в GE Aviation. - По -леките остриета създават по -малка центробежна сила. Това означава, че можете да свиете диск, лагери и други части. KMKM направи възможно да се направят революционни промени в дизайна на реактивен двигател”.
Целта на програмата AETD е да намали специфичния разход на гориво с 25%, да увеличи обхвата на полета с повече от 30% и да увеличи максималната тяга с 10% в сравнение с най -напредналите изтребители от 5 -то поколение. „Едно от най -големите предизвикателства при преминаването от статични CMC компоненти към въртящи се компоненти е полето на напрежение, в което те трябва да работят“, казва Дан Маккормик, мениджър на програмата за напреднали бойни двигатели в GE Aviation. В същото време той добави, че тестването на двигателя F414 е дало важни резултати, които ще бъдат използвани в двигателя с адаптивен цикъл. „Острието на турбината с ниско налягане CMC тежи три пъти по-малко от металното острие, което заменя, освен това при втория икономичен режим няма нужда да се охлажда острието на CMC с въздух. Острието сега ще бъде по -аеродинамично ефективно, тъй като няма нужда да изпомпва целия охлаждащ въздух през него."
Материалите KMKM, в които компанията казва, че е инвестирала повече от милиард долара, откакто е започнала работа по тях в началото на 90 -те години, могат да издържат на температури стотици градуса по -високи от традиционните никелови сплави и се отличават с армировка от силициев карбид в керамична матрица., което увеличава неговата якост на удар и устойчивост на напукване.
Изглежда, че GE е свършила доста трудна работа по тези лопатки на турбината. Всъщност някои от механичните свойства на KMKM са много скромни. Например, якостта на опън е сравнима с якостта на опън на медта и евтините алуминиеви сплави, което не е много добро за части, които са подложени на големи центробежни сили. В допълнение, те показват ниско напрежение при прекъсване, тоест те се удължават много леко при прекъсване. Тези недостатъци обаче изглежда са преодолени и ниското тегло на тези материали определено е допринесло за победата на новата технология.
Модулна броня с нанокерамика за резервоара LEOPARD 2
Принос от композитна броня
Въпреки че защитните технологии, които представляват комбинация от слоеве метал, армирани с влакна полимерни композити и керамика, са добре установени, индустрията продължава да разработва все по-сложни композитни материали, но много от детайлите на този процес са внимателно скрити. Morgan Advanced Materials е добре познат в тази област, обявявайки награда на конференцията Armored Vehicles XV в Лондон миналата година за защитната си технология SAMAS. Според Morgan, защитата SAMAS, широко използвана в превозните средства на британската армия, е композитен материал, подсилен с материали като S-2 Glass, E-Glass, арамид и полиетилен, след това оформен в листове и втвърден под високо налягане: „Влакната могат да се комбинират с хибридни керамично-метални материали, за да отговарят на специални изисквания за дизайн и производителност."
Според Морган бронята SAMAS с обща дебелина 25 мм, използвана за производството на защитни капсули на екипажа, може да намали теглото на леки защитени превозни средства с повече от 1000 кг в сравнение с превозни средства със стоманена капсула. Други предимства включват по -лесен ремонт с дебелина по -малка от 5 мм и присъщите свойства на облицовъчната обвивка на този материал.
Явен напредък на шпинелата
Според изследователската лаборатория на ВМС на САЩ разработването и производството на прозрачни материали на базата на магнезиев алуминиев оксид (MgAI2O4), известен също като изкуствени шпинели, процъфтява. Шпинелите отдавна са известни не само със своята здравина - 0,25 "дебел шпинел има същите балистични характеристики като 2,5" бронирано стъкло - но и с трудността да се правят големи части с еднаква прозрачност. Група учени от тази лаборатория обаче е измислила нов процес за нискотемпературно синтероване във вакуум, който ви позволява да получите части с размери, ограничени само от размера на пресата. Това е голям пробив в сравнение с предишните производствени процеси, които започнаха с процеса на топене на оригиналния прах в топилен тигел.
Една от тайните на новия процес е равномерното разпределение на добавката за синтероване на литиев флуорид (LiF), която топи и смазва зърната на шпинелата, така че да могат да се разпределят равномерно по време на синтероването. Вместо сухо смесване на прахове от литиев флуорид и шпинел, лабораторията е разработила метод за равномерно покриване на частиците на шпинелата с литиев флуорид. Това ви позволява значително да намалите консумацията на LiF и да увеличите пропускливостта на светлината до 99% от теоретичната стойност във видимата и средната инфрачервена област на спектъра (0,4-5 микрона).
Новият процес, който позволява производството на оптика в различни форми, включително листове, които се вписват удобно с крилата на самолет или дрон, е лицензиран от неназована компания. Възможните приложения за шпинел включват бронирано стъкло с тегло по-малко от половината маса на съществуващото стъкло, защитни маски за войници, оптика за лазери от следващо поколение и мултиспектрални сензорни очила. При масово производство, например, устойчиви на напукване очила за смартфони и таблети, цената на продуктите от шпинел ще намалее значително.
PERLUCOR - нов етап в системите за защита от куршуми и износване
CeramTec-ETEC разработи прозрачна керамика PERLUCOR преди няколко години с добри перспективи както за отбрана, така и за граждански приложения. Отличните физични, химични и механични свойства на PERLUCOR бяха основните причини за успешното навлизане на този материал на пазара.
PERLUCOR има относителна прозрачност над 90%, е три до четири пъти по -здрава и по -твърда от обикновеното стъкло, топлоустойчивостта на този материал е около три пъти по -висока, което позволява да се използва при температури до 1600 ° C, също така има изключително висока химическа устойчивост, което позволява използването му с концентрирани киселини и основи. PERLUCOR има висок коефициент на пречупване (1, 72), което прави възможно производството на оптични обективи и оптични елементи с миниатюрни размери, тоест получаване на устройства с мощно увеличение, което не може да бъде постигнато с полимери или стъкло. Керамичните плочки PERLUCOR имат стандартен размер 90x90 мм; CeramTec-ETEC обаче е разработила технология за производство на сложни оформени листове на базата на този формат според спецификациите на клиента. Дебелината на панелите в специални случаи може да бъде десети от милиметъра, но като правило е 2-10 мм.
Развитието на по -леки и по -тънки системи за прозрачна защита за отбранителния пазар напредва с бързи темпове. Значителен принос в този процес има прозрачната керамика на компанията SegamTes, която е част от защитните системи на много производители. Когато се тества в съответствие със STANAG 4569 или APSD, намаляването на теглото е от порядъка на 30-60 процента.
През последните години се оформи друго направление в развитието на технологиите, разработени от SegatTes-ETEC. Прозорците на превозните средства, особено в скалисти и пустинни райони като Афганистан, са предразположени към камъни и драскотини от движението на чистачките върху пясъчно, прашно предно стъкло. Също така се намаляват балистичните характеристики на устойчиви на куршуми стъкла, които са били повредени от удари от камък. По време на военни действия превозни средства с повредено стъкло са изложени на сериозни и непредсказуеми рискове. SegamTes-ETEC разработи наистина иновативно и оригинално решение за защита на стъклото от този вид износване. Тънък слой (<1 мм) керамично покритие PERLUCOR върху повърхността на предното стъкло помага успешно да устои на такива повреди. Тази защита е подходяща и за оптични инструменти като телескопи, лещи, инфрачервено оборудване и други сензори. Плоските и извити лещи от прозрачна керамика PERLUCOR удължават живота на това високо ценно и чувствително оптично оборудване.
CeramTec-ETEC успешно представи брониран стъклен панел на вратата и устойчив на надраскване и камък защитен панел на DSEI 2015 в Лондон.
Издръжлива и гъвкава нанокерамика
Гъвкавостта и устойчивостта не са качества, присъщи на керамиката, но екип от учени, ръководен от професор по материалознание и механика Джулия Гриър от Калифорнийския технологичен институт, се зае с проблема. Изследователите описват новия материал като „здрави, леки, регенерируеми триизмерни керамични нанорешетки“. Това обаче е същото име за статия, публикувана от Гриър и нейните студенти в научно списание преди няколко години.
Това, което се крие отдолу, се илюстрира най -добре от куб от нанорешетки от алуминиев оксид с размери няколко десетки микрона, взети с електронен микроскоп. Под действието на натоварването той се свива с 85% и при отстраняване се възстановява до първоначалния си размер. Експерименти са проведени и с решетки, състоящи се от тръби с различна дебелина, като най -тънките тръби са най -здравите и еластични. С дебелина на стената на тръбата от 50 нанометра решетката се срути и с дебелина на стената от 10 нанометра се върна в първоначалното си състояние - пример за това как ефектът от размера увеличава здравината на някои материали. Теорията обяснява това с факта, че с намаляване на размера, броят на дефектите в насипни материали пропорционално намалява. При тази архитектура на решетката от кухи тръби 99,9% от обема на куба е въздух.
Екипът на професор Гриър създава тези малки структури, като изпълнява процес, подобен на 3D печат. Всеки процес започва с CAD файл, който задвижва два лазера, които "боядисват" структурата в три измерения, втвърдявайки полимера в точки, където лъчите се усилват взаимно във фаза. Невтвърденият полимер изтича от втвърдената решетка, която сега става субстрат, за да образува крайната структура. След това изследователите прилагат алуминиевия оксид върху субстрата, като използват метод, който точно контролира дебелината на покритието. Накрая краищата на решетката се изрязват, за да се отстрани полимера, оставяйки само кристалната решетка на кухи тръби от алуминиев оксид.
Якост на стомана, но тежи като въздух
Потенциалът на такива „конструирани“материали, които са предимно по обем въздух, но са по -малко здрави като стоманата, е огромен, но труден за разбиране, така че професор Гриър даде няколко поразителни примера. Първият пример, балони, от които се изпомпва хелий, но в същото време запазват формата си. Вторият, бъдещ самолет, чийто дизайн тежи толкова, колкото тежи ръчният му модел. Най -изненадващото е, че ако прочутият мост Golden Gate беше направен от такива нанорешетки, всички материали, необходими за изграждането му, биха могли да бъдат поставени (с изключение на въздуха) върху човешка длан.
Точно както огромните структурни предимства на тези здрави, леки и устойчиви на топлина материали, подходящи за безброй военни приложения, техните предварително определени електрически свойства биха могли да революционизират съхранението и генерирането на енергия: „Тези наноструктури са много леки, механично стабилни и в същото време огромни в размер. повърхности, тоест можем да използваме в различни приложения от електрохимичен тип."
Те включват изключително ефективни електроди за батерии и горивни клетки, те са заветна цел за автономни захранвания, преносими и транспортируеми електроцентрали, както и истински пробив в технологията на слънчевите клетки.
„Фотонните кристали също могат да бъдат наименувани в това отношение“, каза Гриър. "Тези структури ви позволяват да манипулирате светлината по такъв начин, че да можете напълно да я улавяте, което означава, че можете да направите много по -ефективни слънчеви клетки - улавяте цялата светлина и нямате загуба на отражение."
„Всичко това предполага, че комбинацията от ефекта на размера в наноматериалите и структурните елементи ни позволява да създаваме нови класове материали със свойства, които не са постижими“, каза професор Гриър от Европейската организация за ядрени изследвания в Швейцария. „Най -голямото предизвикателство, с което се сблъскваме, е как да разширим мащаба и да преминем от нано към размера на нашия свят.“
Промишлена прозрачна керамична защита
IBD Deisenroth Engineering е разработила прозрачна керамична броня с балистични характеристики, сравнима с непрозрачна керамична броня. Тази нова прозрачна броня е с около 70% по-лека от бронирано стъкло и може да бъде сглобена в конструкции със същите характеристики на много удари (способност да издържат на множество удари) като непрозрачна броня. Това позволява не само драстично намаляване на масата на превозни средства с големи прозорци, но и затваряне на всички балистични пропуски.
За да се получи защита в съответствие с STANAG 4569 Ниво 3, бронеустойчивото стъкло има повърхностна плътност приблизително 200 kg / m2. При типична площ на прозореца на камион от три квадратни метра, масата на бронираните стъкла ще бъде 600 кг. При смяна на такива бронирани стъкла с IBD керамика намалението на теглото ще бъде повече от 400 кг. Прозрачната керамика от IBD е по -нататъшно развитие на IBD NANOTech керамиката. IBD успя да разработи специални процеси на свързване, които се използват за сглобяване на керамични плочки („прозрачна мозаечна броня“) и след това ламинират тези сглобки до здрави структурни слоеве, за да образуват големи прозорци. Поради изключителните характеристики на този керамичен материал е възможно да се произвеждат прозрачни бронирани панели със значително по -ниско тегло. Подложката, в комбинация с ламинат Natural NANO-Fiber, допълнително подобрява балистичните характеристики на новата прозрачна защита поради по-голямото й поглъщане на енергия.
Израелската компания OSG (Oran Safety Glass), в отговор на нарастващите нива на нестабилност и напрежение по целия свят, е разработила широка гама от бронирани стъклени продукти. Те са специално проектирани за отбранителния и гражданския сектор, военните, паравоенните формирования, цивилните професии с висок риск, строителството и автомобилната индустрия. Компанията популяризира на пазара следните технологии: прозрачни решения за защита, решения за балистична защита, допълнителни усъвършенствани прозрачни бронирани системи, цифрови визуални прозорци, прозорци за авариен изход, керамични прозорци с технология за цветен дисплей, интегрирани системи за светлинни светлини, удароустойчиви стъклени щитове камъни, и накрая, технологията ADI против раздробяване.
Прозрачните материали на OSG непрекъснато се тестват в реални ситуации: отблъскване на физически и балистични атаки, спасяване на животи и защита на собственост. Всички бронирани прозрачни материали са създадени в съответствие с основните международни стандарти.
