Militārie transportlīdzekļi tradicionāli ir izgatavoti no smaga, dārga, bet augstas stiprības bruņu tērauda. Mūsdienu keramikas kompozītmateriālus arvien vairāk izmanto kā nesošu aizsardzību kaujas transportlīdzekļiem. Šādu materiālu galvenās priekšrocības ir ievērojami zemākas izmaksas, uzlabota aizsardzība un svara samazinājums vairāk nekā uz pusi. Apsveriet mūsdienu keramikas pamatmateriālus, ko mūsdienās izmanto ballistiskajai aizsardzībai
Pateicoties spējai izturēt ļoti augstas temperatūras, ievērojami augstākas nekā metāliem, cietībai, visaugstākajai īpatnējai izturībai un īpatnējai stingrībai, keramika tiek plaši izmantota dzinēju oderējumu, raķešu komponentu, instrumentu griešanas malu, īpašu caurspīdīgu un necaurspīdīgi vairogi, kas, protams, ir viena no militāro sistēmu attīstības prioritārajām jomām. Tomēr nākotnē tās piemērošanas jomai vajadzētu ievērojami paplašināties, jo daudzās pasaules valstīs veiktās pētniecības un izstrādes ietvaros tiek meklēti jauni veidi, kā palielināt plastiskumu, izturību pret plaisām un citas vēlamās mehāniskās īpašības. apvienojot keramikas pamatni ar pastiprinošām šķiedrām tā sauktajā keramikas matricā.kompozītmateriāli (KMKM). Tāpat jaunās ražošanas tehnoloģijas ļaus masveidā ražot ļoti izturīgus, augstas kvalitātes caurspīdīgus, sarežģītas formas un liela izmēra izstrādājumus no materiāliem, kas pārraida redzamus un infrasarkanos viļņus. Turklāt jaunu konstrukciju izveide, izmantojot nanotehnoloģijas, ļaus iegūt izturīgus un vieglus, pārkaršanas izturīgus, ķīmiski izturīgus un vienlaikus praktiski neiznīcināmus materiālus. Šī īpašību kombinācija mūsdienās tiek uzskatīta par savstarpēji izslēdzošu un tādējādi ļoti pievilcīgu militāram pielietojumam.
Keramikas matricas kompozītmateriāli (KMKM)
Tāpat kā to polimēru analogi, CMC sastāv no bāzes vielas, ko sauc par matricu, un armatūras pildvielas, kas ir cita materiāla daļiņas vai šķiedras. Šķiedras var būt nepārtrauktas vai diskrētas, nejauši orientētas, novietotas precīzos leņķos, savītas īpašā veidā, lai iegūtu lielāku izturību un stingrību noteiktos virzienos, vai vienmērīgi sadalītas visos virzienos. Tomēr neatkarīgi no materiālu kombinācijas vai šķiedru orientācijas saikne starp matricu un pastiprinošo komponentu ir būtiska materiāla īpašībām. Tā kā polimēri ir mazāk stingri nekā materiāls, kas tos pastiprina, saite starp matricu un šķiedrām parasti ir pietiekami stipra, lai materiāls varētu pretoties lieces darbībai kopumā. Tomēr CMCM gadījumā matrica var būt stingrāka par pastiprinošajām šķiedrām, lai saķeres spēks, kas līdzīgi optimizēts, lai ļautu nedaudz pārvietot šķiedru un matricu, palīdz, piemēram, absorbēt trieciena enerģiju un novērst plaisu veidošanos. kas citādi novestu pie trauslas iznīcināšanas un šķelšanās. Tas padara CMCM daudz viskozāku salīdzinājumā ar tīru keramiku, un šī ir vissvarīgākā no ļoti noslogotu kustīgo detaļu īpašībām, piemēram, reaktīvo dzinēju daļām.
Vieglas un karstas turbīnas lāpstiņas
Gada februārī GE Aviation paziņoja par veiksmīgiem izmēģinājumiem, ko tā sauc par “pasaulē pirmo nestatisko CMC komplektu lidmašīnas dzinējam”, lai gan uzņēmums neatklāja matricai un armatūras materiālam izmantotos materiālus. Mēs runājam par zema spiediena turbīnu lāpstiņām F414 turboventilatora dzinēja eksperimentālajā modelī, kura izstrādes mērķis ir sniegt papildu apstiprinājumu par materiāla atbilstību deklarētajām prasībām darbam pie lielām trieciena slodzēm. Šī aktivitāte ir daļa no Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) nākamās paaudzes pašadaptīvās dzinēju demonstrācijas programmas, kurā GE sadarbojas ar ASV Gaisa spēku pētniecības laboratoriju. AETD programmas mērķis ir nodrošināt galvenās tehnoloģijas, kuras varētu ieviest sestās paaudzes iznīcinātāju dzinējos un, sākot ar 2020. gadu vidu, piektās paaudzes lidmašīnu, piemēram, F-35, dzinējos. Adaptīvie dzinēji spēs regulēt spiediena pieaugumu un apvedceļa attiecību lidojuma laikā, lai pacelšanās laikā un cīņā iegūtu maksimālu vilces spēku vai maksimālu degvielas patēriņu kruīza lidojuma režīmā.
Uzņēmums uzsver, ka no CMC izgatavotu rotējošu detaļu ieviešana reaktīvā dzinēja “karstākajās un visvairāk noslogotajās” daļās ir ievērojams sasniegums, jo iepriekš tehnoloģija ļāva izmantot CMC tikai stacionāru detaļu ražošanai, piemēram, augstspiediena turbīnas apvalks. Pārbaužu laikā KMKM turbīnas lāpstiņas F414 motorā izgāja 500 ciklus - no tukšgaitas ātruma līdz pacelšanās vilcei un atpakaļ.
Turbīnas lāpstiņas ir daudz vieglākas nekā parastās niķeļa sakausējuma lāpstiņas, kas ļāva metāla diskiem, pie kuriem tie ir piestiprināti, būt mazākiem un vieglākiem, paziņoja uzņēmums.
“Pāreja no niķeļa sakausējumiem uz rotējošu keramiku motora iekšienē ir patiešām liels lēciens uz priekšu. Bet tā ir tīra mehānika,”sacīja Džonatans Blanks, GC Aviation CMC un polimēru saistvielu vadītājs. - Vieglāki asmeņi rada mazāku centrbēdzes spēku. Tas nozīmē, ka jūs varat sarukt disku, gultņus un citas detaļas. KMKM ļāva veikt revolucionāras izmaiņas reaktīvā dzinēja konstrukcijā”.
AETD programmas mērķis ir samazināt īpatnējo degvielas patēriņu par 25%, palielināt lidojuma diapazonu par vairāk nekā 30% un palielināt maksimālo vilces spēku par 10% salīdzinājumā ar vismodernākajiem 5. paaudzes iznīcinātājiem. "Viens no lielākajiem izaicinājumiem, pārejot no statiskiem CMC komponentiem uz rotējošiem komponentiem, ir stresa lauks, kurā tiem jādarbojas," sacīja GE Aviation uzlaboto kaujas dzinēju programmu vadītājs Dens Makormiks. Vienlaikus viņš piebilda, ka F414 dzinēja testēšana deva svarīgus rezultātus, kas tiks izmantoti adaptīvā cikla dzinējā. “Zema spiediena CMC turbīnas lāpstiņa sver trīs reizes mazāk nekā metāla asmens, ko tā nomaina, turklāt otrajā ekonomiskajā režīmā nav nepieciešams CMC asmeni atdzesēt ar gaisu. Tagad asmens būs aerodinamiski efektīvāks, jo nav nepieciešams caur to sūknēt visu šo dzesēšanas gaisu."
KMKM materiāli, kuros uzņēmums saka, ka kopš 90. gadu sākuma ir ieguldījis vairāk nekā miljardu dolāru, var izturēt simtiem grādu augstāku temperatūru nekā tradicionālie niķeļa sakausējumi, un tie izceļas ar silīcija karbīda šķiedru pastiprinājumu keramikas matricā., kas palielina tā triecienizturību un izturību pret plaisām.
Šķiet, ka GE ir paveicis diezgan smagu darbu pie šīm turbīnu lāpstiņām. Patiešām, dažas KMKM mehāniskās īpašības ir ļoti pieticīgas. Piemēram, stiepes izturība ir salīdzināma ar vara un lētu alumīnija sakausējumu stiepes izturību, kas nav īpaši laba detaļām, kuras pakļautas lieliem centrbēdzes spēkiem. Turklāt tiem ir zems deformācija lūzuma laikā, tas ir, tie ļoti nedaudz pagarinās lūzuma laikā. Tomēr šķiet, ka šie trūkumi ir pārvarēti, un šo materiālu mazais svars noteikti deva nozīmīgu ieguldījumu jaunās tehnoloģijas uzvarā.
Moduļu bruņas ar nanokeramiku tvertnei LEOPARD 2
Kompozīta bruņu ieguldījums
Lai gan aizsardzības tehnoloģijas, kas ir metāla slāņu, ar šķiedru pastiprinātu polimēru kompozītmateriālu un keramikas slāņu kombinācija, ir labi izveidotas, rūpniecība turpina attīstīt arvien sarežģītākus kompozītmateriālus, taču daudzas šī procesa detaļas ir rūpīgi slēptas. Morgan Advanced Materials ir labi pazīstams šajā jomā, pagājušajā gadā Londonā konferencē Armored Vehicles XV paziņojot par balvu par SAMAS aizsardzības tehnoloģiju. Pēc Morgan teiktā, Lielbritānijas armijas transportlīdzekļos plaši izmantotā SAMAS aizsardzība ir kompozītmateriāls, kas pastiprināts ar tādiem materiāliem kā S-2 Glass, E-Glass, aramīds un polietilēns, pēc tam tiek veidots loksnēs un sacietēts augstā spiedienā: “Šķiedras var kombinēt ar hibrīda keramikas-metāla materiāliem, kas atbilst īpašām dizaina un veiktspējas prasībām."
Saskaņā ar Morgan teikto, SAMAS bruņas ar kopējo biezumu 25 mm, ko izmanto ekipāžas aizsargkapsulu ražošanai, var samazināt vieglo transportlīdzekļu svaru par vairāk nekā 1000 kg, salīdzinot ar transportlīdzekļiem ar tērauda kapsulu. Citas priekšrocības ietver vieglāku remontu, ja biezums ir mazāks par 5 mm, un šī materiāla raksturīgajām vītņu oderes īpašībām.
Skaidrs spinel progress
Saskaņā ar ASV Jūras spēku pētniecības laboratorijas datiem strauji attīstās un tiek ražoti caurspīdīgi materiāli, kuru pamatā ir magnija alumīnija oksīds (MgAI2O4). Špindeļi jau sen ir pazīstami ne tikai ar savu izturību - 0,25 collu biezajam špinelim ir tādas pašas ballistiskās īpašības kā 2,5 collu ložu necaurlaidīgam stiklam -, bet arī grūtības izgatavot lielas detaļas ar vienmērīgu caurspīdīgumu. Tomēr šīs laboratorijas zinātnieku grupa ir izgudrojusi jaunu zemas temperatūras saķepināšanas procesu vakuumā, kas ļauj iegūt detaļas, kuru izmērus ierobežo tikai preses izmērs. Tas ir būtisks sasniegums salīdzinājumā ar iepriekšējiem ražošanas procesiem, kas sākās ar sākotnējā pulvera kausēšanas procesu kausēšanas tīģelī.
Viens no jaunā procesa noslēpumiem ir litija fluorīda (LiF) saķepināšanas piedevas vienmērīgs sadalījums, kas izkausē un ieeļļo spinelu graudus, lai tos varētu vienmērīgi sadalīt saķepināšanas laikā. Tā vietā, lai litija fluorīdu un spinelu pulverus sajauktu sausā veidā, laboratorija ir izstrādājusi metodi, kā vienmērīgi pārklāt spinelu daļiņas ar litija fluorīdu. Tas ļauj ievērojami samazināt LiF patēriņu un palielināt gaismas caurlaidību līdz 99% no teorētiskās vērtības redzamajos un vidējā infrasarkanā spektra apgabalos (0,4-5 mikroni).
Jauno procesu, kas ļauj izgatavot dažādu formu optiku, ieskaitot loksnes, kas ērti iekļaujas lidmašīnas vai bezpilota lidaparāta spārnos, ir licencējis kāds uzņēmums, kas nav nosaukts. Iespējamie spinelu pielietojumi ietver bruņu stiklu, kas sver mazāk nekā pusi no esošā stikla masas, aizsargmaskas karavīriem, optiku nākamās paaudzes lāzeriem un daudzpektrālos sensoru brilles. Sērijveidā ražojot, piemēram, plaisas izturīgas brilles viedtālruņiem un planšetdatoriem, ievērojami samazināsies spinelu izstrādājumu izmaksas.
PERLUCOR - jauns pagrieziena punkts ložu un nodiluma aizsardzības sistēmās
CeramTec-ETEC pirms dažiem gadiem izstrādāja caurspīdīgu keramiku PERLUCOR ar labām perspektīvām gan aizsardzībai, gan civilām vajadzībām. PERLUCOR lieliskās fizikālās, ķīmiskās un mehāniskās īpašības bija galvenie iemesli šī materiāla veiksmīgai ienākšanai tirgū.
PERLUCOR relatīvais caurspīdīgums pārsniedz 90%, ir trīs līdz četras reizes spēcīgāks un cietāks nekā parasts stikls, šī materiāla karstumizturība ir aptuveni trīs reizes augstāka, kas ļauj to izmantot temperatūrā līdz 1600 ° C. ir ļoti augsta ķīmiskā izturība, kas ļauj to izmantot ar koncentrētām skābēm un sārmiem. PERLUCOR ir augsts laušanas koeficients (1, 72), kas ļauj izgatavot miniatūru izmēru optiskos objektīvus un optiskos elementus, tas ir, iegūt ierīces ar spēcīgu palielinājumu, ko nevar panākt ar polimēriem vai stiklu. PERLUCOR keramikas flīžu standarta izmērs ir 90x90 mm; tomēr CeramTec-ETEC ir izstrādājis tehnoloģiju sarežģītu formu lapu ražošanai, pamatojoties uz šo formātu atbilstoši klientu specifikācijām. Paneļu biezums īpašos gadījumos var būt desmitdaļas no milimetra, bet, kā likums, tas ir 2-10 mm.
Vieglāku un plānāku aizsardzības tirgus pārredzamas aizsardzības sistēmu izstrāde notiek strauji. Būtisku ieguldījumu šajā procesā dod uzņēmuma SegamTes caurspīdīgā keramika, kas ir daļa no daudzu ražotāju aizsardzības sistēmām. Pārbaudot saskaņā ar STANAG 4569 vai APSD, svara samazinājums ir aptuveni 30–60 procenti.
Pēdējos gados ir izveidojies vēl viens SegatTes-ETEC izstrādāto tehnoloģiju attīstības virziens. Transportlīdzekļu logi, īpaši akmeņainos un tuksneša apgabalos, piemēram, Afganistānā, ir pakļauti akmens triecieniem un skrāpējumiem, kas rodas, tīrot slotiņas kustoties uz smilšaina, putekļaina vējstikla. Tāpat samazinās lodīšu izturīgo stiklu ballistiskās īpašības, kuras ir sabojājuši akmens triecieni. Karadarbības laikā transportlīdzekļi ar bojātu stiklu ir pakļauti nopietniem un neparedzamiem riskiem. SegamTes-ETEC ir izstrādājis patiesi novatorisku un oriģinālu risinājumu stikla aizsardzībai pret šāda veida nodilumu. Plāns (<1 mm) PERLUCOR keramikas pārklājuma slānis uz vējstikla virsmas palīdz veiksmīgi pretoties šādiem bojājumiem. Šī aizsardzība ir piemērota arī optiskiem instrumentiem, piemēram, teleskopiem, lēcām, infrasarkanajām iekārtām un citiem sensoriem. Plakanās un izliektās lēcas, kas izgatavotas no PERLUCOR caurspīdīgas keramikas, pagarina šīs ļoti vērtīgās un jutīgās optiskās iekārtas kalpošanas laiku.
CeramTec-ETEC veiksmīgi prezentēja ložu necaurlaidīgu stikla durvju paneli un skrāpējumiem un akmeņiem izturīgu aizsargpaneli izstādē DSEI 2015 Londonā.
Izturīga un elastīga nanokeramika
Elastība un elastība nav īpašības, kas piemīt keramikai, bet zinātnieku komanda, kuru vada materiālu zinātnes un mehānikas profesore Jūlija Grīra no Kalifornijas Tehnoloģiju institūta, pieņēma šo problēmu. Pētnieki jauno materiālu raksturo kā "izturīgus, vieglus, atjaunojamus trīsdimensiju keramikas nanolattus". Tomēr tas ir tas pats nosaukums rakstam, kuru pirms pāris gadiem zinātniskā žurnālā publicēja Grīra un viņas studenti.
To, kas ir paslēpts zemāk, vislabāk ilustrē vairāku desmitu mikronu izmēra alumīnija oksīda nanorežģu kubs, kas uzņemts ar elektronu mikroskopu. Slodzes ietekmē tas sarūk par 85% un, kad tas tiek noņemts, tiek atjaunots sākotnējais izmērs. Eksperimenti tika veikti arī ar režģiem, kas sastāv no dažāda biezuma caurulēm, un visplānākās caurules bija visspēcīgākās un elastīgākās. Ar caurules sienu biezumu 50 nanometri režģis sabruka, un sienas biezums bija 10 nanometri, tas atgriezās sākotnējā stāvoklī - piemērs tam, kā izmēra efekts palielina dažu materiālu izturību. Teorija to izskaidro ar to, ka, samazinoties izmēram, beztaras materiālu defektu skaits proporcionāli samazinās. Ar šo dobu cauruļu režģa arhitektūru 99,9% no kuba tilpuma ir gaiss.
Profesora Grīra komanda izveido šīs sīkās struktūras, veicot 3D drukāšanai līdzīgu procesu. Katrs process sākas ar CAD failu, kas vada divus lāzerus, kas "krāso" struktūru trīs dimensijās, sacietējot polimēru vietās, kur stari fāzē viens otru pastiprina. Nesacietējušais polimērs izplūst no sacietējušā režģa, kas tagad kļūst par pamatni, veidojot galīgo struktūru. Pēc tam pētnieki uzklāj substrātam alumīnija oksīdu, izmantojot metodi, kas precīzi kontrolē pārklājuma biezumu. Visbeidzot, režģa galus sagriež, lai noņemtu polimēru, atstājot tikai dobu alumīnija oksīda cauruļu kristāla režģi.
Tērauda izturība, bet sver kā gaiss
Šādu "inženierijas" materiālu, kuru tilpums pārsvarā ir gaiss, bet vēl mazāk izturīgi kā tērauds, potenciāls ir milzīgs, taču grūti aptverams, tāpēc profesors Grīrs minēja vairākus spilgtus piemērus. Pirmais piemērs - baloni, no kuriem tiek izsūknēts hēlijs, bet tajā pašā laikā saglabājot savu formu. Otrais, topošais lidaparāts, kura konstrukcija sver tikpat, cik manuālais modelis. Pārsteidzošākais, ja slavenais Zelta vārtu tilts būtu izgatavots no šādiem nanorežģiem, visus tā uzbūvei nepieciešamos materiālus varētu novietot (izņemot gaisu) uz cilvēka plaukstas.
Tāpat kā šo izturīgo, vieglo un karstumizturīgo materiālu milzīgās strukturālās priekšrocības, kas piemērotas neskaitāmiem militāriem pielietojumiem, to iepriekš noteiktās elektriskās īpašības var mainīt enerģijas uzglabāšanu un ražošanu: “Šīs nanostruktūras ir ļoti vieglas, mehāniski stabilas un vienlaikus milzīgas izmēra virsmas, tas ir, mēs varam izmantot dažādos elektroķīmiskā tipa pielietojumos."
Tie ietver ārkārtīgi efektīvus elektrodus baterijām un kurināmā elementiem, tie ir lolots mērķis autonomajiem barošanas avotiem, pārnēsājamām un pārnēsājamām spēkstacijām, kā arī patiess sasniegums saules bateriju tehnoloģijā.
"Šajā sakarā var nosaukt arī fotoniskos kristālus," sacīja Grīrs. "Šīs struktūras ļauj jums manipulēt ar gaismu tā, lai jūs varētu to pilnībā uztvert, kas nozīmē, ka jūs varat izveidot daudz efektīvākas saules baterijas - jūs uztverat visu gaismu un jums nav atstarošanas zuduma."
"Tas viss liecina, ka izmēra efekta kombinācija nanomateriālos un konstrukcijas elementos ļauj mums izveidot jaunas materiālu klases ar īpašībām, kuras nav bijušas sasniedzamas," sacīja profesors Grīrs no Eiropas Kodolpētniecības organizācijas Šveicē. "Lielākais izaicinājums, ar kuru mēs saskaramies, ir palielināt mērogu un pāriet no nano uz mūsu pasaules lielumu."
Rūpnieciska caurspīdīga keramikas aizsardzība
IBD Deisenroth Engineering ir izstrādājusi caurspīdīgas keramikas bruņas, kuru ballistiskā veiktspēja ir salīdzināma ar necaurspīdīgām keramikas bruņām. Šī jaunā caurspīdīgā bruņa ir aptuveni par 70% vieglāka nekā bruņu stikls, un to var salikt konstrukcijās ar tādām pašām daudz triecienu īpašībām (spēja izturēt vairākus triecienus) kā necaurspīdīgās bruņas. Tas ļauj ne tikai ievērojami samazināt transportlīdzekļu masu ar lieliem logiem, bet arī aizvērt visas ballistiskās spraugas.
Lai iegūtu aizsardzību saskaņā ar STANAG 4569 3. līmeni, ložu necaurlaidīgā stikla virsmas blīvums ir aptuveni 200 kg / m2. Ar tipisku trīs kvadrātmetru kravas automašīnas loga laukumu ložu necaurlaidīgo stiklu masa būs 600 kg. Nomainot šādas ložu necaurlaidīgas brilles ar IBD keramiku, svara samazinājums būs vairāk nekā 400 kg. Caurspīdīgā keramika no IBD ir IBD NANOTech keramikas tālāka attīstība. IBD ir izdevies izstrādāt īpašus līmēšanas procesus, ko izmanto, lai saliktu keramikas flīzes ("caurspīdīgas mozaīkas bruņas") un pēc tam laminētu šos mezglus uz stipriem konstrukcijas slāņiem, veidojot lielus logu paneļus. Pateicoties šī keramikas materiāla izcilajām īpašībām, ir iespējams ražot caurspīdīgus bruņu paneļus ar ievērojami mazāku svaru. Pamatne kombinācijā ar dabīgo NANO šķiedru laminātu vēl vairāk uzlabo jaunās caurspīdīgās aizsardzības ballistisko veiktspēju, pateicoties tās lielākajai enerģijas absorbcijai.
Izraēlas uzņēmums OSG (Oran Safety Glass), reaģējot uz pieaugošo nestabilitātes un spriedzes līmeni visā pasaulē, ir izstrādājis plašu ložu necaurlaidīga stikla izstrādājumu klāstu. Tie ir īpaši izstrādāti aizsardzības un civilajam sektoram, militārajam, paramilitārajiem spēkiem, augsta riska civilajām profesijām, celtniecības un automobiļu rūpniecībai. Uzņēmums reklamē tirgū šādas tehnoloģijas: caurspīdīgi aizsardzības risinājumi, ballistiskās aizsardzības risinājumi, papildu uzlabotas caurspīdīgas bruņu sistēmas, digitālie vizuālie logi, avārijas izejas logi, keramikas logi ar krāsu displeja tehnoloģiju, integrētas indikatora gaismas sistēmas, triecienizturīgi stikla vairogu akmeņi un, visbeidzot, ADI pretplīsuma tehnoloģija.
OSG caurspīdīgie materiāli tiek pastāvīgi pārbaudīti reālās dzīves situācijās: atvairot fiziskus un ballistiskus uzbrukumus, glābjot dzīvības un aizsargājot īpašumu. Visi bruņotie caurspīdīgie materiāli ir radīti saskaņā ar galvenajiem starptautiskajiem standartiem.
