Neem je mee om te begrijpen waarom keramiek een nieuw kogelvrij materiaal is geworden
Mensen denken dat keramiek broos is. Een licht druppeltje kan een onbetaalbaar antiek porselein in een mum van tijd in stukken uiteenspatten. Maar wist je dat keramiek door moderne technologie een enorme transformatie heeft ondergaan en, dankzij zijn fysieke eigenschappen, zelfs als kogelwerend materiaal kan dienen, wat het de reputatie van een opkomend "-ster op het gebied van kogelwerendheid heeft opgeleverd?
Stel je voor: op het slagveld kan een klein kogeltje een soldaat dodelijk verwonden, maar fragiel keramiek kan een rondvliegende kogel tegenhouden. Waar komt die "-kracht vandaan? Laten we de wereld van kogelvrij keramiek betreden om erachter te komen.
☛ Hoge hardheid, composietcombinatie
Kogelwerende keramiek behoort tot de familie van anorganische, niet-metalen materialen. Strikt genomen is het niet hetzelfde materiaal als het porselein dat we in ons dagelijks leven gebruiken. Als speciaal keramiek, in tegenstelling tot keramische gebruiksvoorwerpen die worden gemaakt door lokale klei tot plaatjes te vormen en deze vervolgens te bakken, vereist kogelwerende keramiek een reeks complexe processen voor de bereiding ervan, waaronder poederbereiding, gieten, sinteren op hoge temperatuur, enz. Het is een product van de snelle ontwikkeling van moderne technologieën zoals scheikunde, metallurgie en materiaalkunde.
Kogelwerende keramiek kan kogels tegenhouden omdat het een extreem hoge hardheid en sterkte heeft. Wanneer een kogel keramiek met hoge sterkte en hardheid raakt, versplintert deze en breekt het keramiek. Dit hele proces verbruikt de meeste energie van de kogel en vormt een omgekeerde piramidevormige schadekegel op het inslagpunt. Dit is ook de typische schademorfologie van keramiek na een kogelinslag.
Om de weerstand van keramiek tegen meerdere impacts te verbeteren, worden er vaak zeer sterke vezelstoffen op het keramische paneel aangebracht om de voortplanting van scheuren door kogelinslagen te voorkomen. De combinatie van zeer sterk en hard keramiek met een stijve achterkant vormt de basisstructuur van moderne keramische composietpantsers.
☛ Gedoopt door oorlog, een schild van leven
In de jaren 60 werden Amerikaanse militaire helikopters en hun bemanningsleden in de Vietnamese jungle vaak aangevallen en gewond door lichte wapens. Om de schade aan de uitrusting en het aantal slachtoffers onder de bemanningsleden te beperken, ontwikkelde een Amerikaans lucht- en ruimtevaartbedrijf in 1962 de eerste composietbepantsering met een harde keramische voorkant. Het lijmde aluminiumoxide keramische blokken op een stevige aluminium achterplaat van ongeveer 6 millimeter dik om bestand te zijn tegen vuur van 7,62 millimeter pantserdoorborende kogels. In deze periode was het Amerikaanse leger een pionier in de grootschalige militaire toepassing van kogelwerend keramiek.
Om de beschermende eigenschappen te verbeteren, kwamen wetenschappers op het idee om kogelwerende keramiek te verwerken tot inzetplaten voor gebruik in combinatie met zachte kogelwerende vesten, vergelijkbaar met de hartbeschermende spiegels op oude harnassen. Op deze manier kan de bescherming van de kerngebieden van het menselijk lichaam aanzienlijk worden verbeterd, terwijl tegelijkertijd rekening wordt gehouden met de mobiliteit van de drager. Aanvankelijk werden kleine keramische stukjes aan elkaar verbonden om de inzetplaten te vormen. Met de technologische vooruitgang zijn mensen steeds vaker hele stukken keramiek gaan gebruiken om de zwakke plekken te elimineren die worden veroorzaakt door de openingen tussen kleine keramische stukjes. Sommige zijn zelfs gemaakt tot gebogen oppervlakken die zich aanpassen aan het menselijk lichaam. Dit is ook de basisstijl van de huidige kogelwerende inzetplaten. Momenteel is de technologie voor de bereiding van kogelwerende keramiek steeds volwassener geworden en is het een levensschild geworden ter bescherming van soldaten.
☛ Technologie geeft macht en er worden verdere upgrades gemaakt
Na tientallen jaren van ontwikkeling zijn er momenteel veel soorten kogelwerende keramiek op grote schaal gebruikt, waaronder aluminiumoxide, siliciumcarbide, boorcarbide, siliciumnitride, titaniumboride, enz. De meest voorkomende hiervan zijn aluminiumoxide, siliciumcarbide en boorcarbide keramiek. Met de modernisering van wapensystemen kan traditionele eenfasekeramiek niet langer voldoen aan de werkelijke militaire behoeften, vooral omdat de eisen aan kogelwerende uitrusting steeds hoger worden. Daarom is kogelwerende keramiek zich gaan ontwikkelen in de richting van diversificatie, compoundering en functionalisatie.
Functioneel gegradeerde keramiek. Door het ontwerp van microcomponenten ondergaan de prestaties van keramiek regelmatige en continue veranderingen. Zo ontstaat in metaal/keramische composietsystemen, zoals titaniumboride met metallisch titanium, en aluminiumoxide, siliciumcarbide, boorcarbide, siliciumnitride met metallisch aluminium, een structurele verandering in de dikterichting, waardoor de kogelwerende keramiek overgaat van een hoge hardheid aan de kogelzijde naar een hoge taaiheid aan de achterzijde. Op deze manier voldoet het niet alleen aan de kogelwerende eisen van het pantser, maar verbetert het ook de weerstand tegen meerdere kogelinslagen, wat een aanzienlijk voordeel biedt bij de bescherming tegen pantserdoorborende projectielen van klein en middelgroot kaliber.
Nanogestructureerde composietkeramiek. Op basis van eenfasekeramiek worden submicron- of nanoscopische deeltjes toegevoegd om composietkeramiek te vormen. Zo kunnen siliciumcarbide-siliciumnitride-alumina, boorcarbide-siliciumcarbide, enz. de hardheid, taaiheid en sterkte van keramiek binnen een bepaald bereik verbeteren. Naar verluidt onderzoeken buitenlandse landen sinterprocessen die nanoscopische poeders aan elkaar binden, waardoor de keramische korrelgrootte kan worden teruggebracht tot enkele tientallen nanometers, wat de hardheid en sterkte van het materiaal verbetert. Dit is een belangrijke ontwikkelingsrichting voor geavanceerde keramische pantsers in de toekomst.
Transparante keramiek. Transparante keramiek, vertegenwoordigd door monokristallijn aluminiumoxide (saffier), aluminiumoxynitride en magnesiumaluminaatspinel, bezit een hoge sterkte en hardheid, samen met uitstekende optische eigenschappen. Ze kunnen kogelwerend glas vervangen en worden toegepast in militaire uitrusting zoals individuele kogelwerende maskers, raketdetectievensters, observatievensters voor voertuigen en periscopen van onderzeeërs. Omdat ze gebruikt kunnen worden om grote en complex gevormde transparante componenten tegen lage kosten te produceren, worden dergelijke keramieksoorten door veel militaire mogendheden beschouwd als een van de belangrijkste fotofunctionele transparante materialen die in de 21e eeuw ontwikkeld zullen worden.
Tegenwoordig wordt keramiek enorm veel gebruikt, zowel in het leger als in de civiele technologie. Het is te voorspellen dat het oude verhaal van speren en schilden in de toekomst nog steeds voor prachtige confrontaties tussen sterke tegenstanders op het slagveld zal zorgen.