بررسی زره های سرامیکی

 

4

حساسیت دولت ها به تلفات نظامی و مساله بودجه های دفاعی، مهندسان را مجبور کرده است تا به طور مستمر باتوجه به تغییر تهدیدات، سیستم پلاتفرم تجهیزات را منطبق کنند. یکی از این چالش های انطباق،

ایجاد سطوح محافظتی با کمترین وزن ممکن در یک نبرد است که این امر با علم مواد، تکنولوژی ها و فیزیک ادغام شده است. این سیستم های حفاظتی باید طیف وسیعی از تهدیدات مانند آتش مستقیم گلوله، خرج های انفجاری، بمب های کنار جاده ای و دستی و مین های زمینی را فراهم کند.

زمانی که سرباز ها از یک خودروی حفاظت شده خارج می شوند و اسقرار میابند، نیاز است تا بدن آن ها با یک زره سبک حفاظت شود به طوری که بتوانند فعالیت آزادانه داشته باشند و در دمای بالا و ارتفاعات بتوانند تجهیزات خود را به راحتی حمل کنند.

خودروهای نظامی به طور سنتی زرهشان از ورق های فولادی پر استحکام ساخته می شود. مواد کامپوزیتی سرامیکی تا حد زیادی به جای فولاد به عنوان زره غیر ساختاری در پوشش های مدرن بکار گرفته می شوند.

مزیت عمده ای که سرامیک ها دارند این است که نسبت به فلزها به طور قابل توجهی وزن پایین تری دارند و فضای کمتری اشغال می کنند که این باعث صرفه جویی در وزن به مقدار بیش از ۵۰% است.

امروزه مهم ترین مواد سرامیکی برای حفاظت بالستیکی (حفاظت در برابر پرتابه ها مانند گلوله ها و…) دو ماده ذیل می باشند:

– آلومینا

– سیلیکون کاربید SiC

با توجه به نسبت قیمت به کارایی مطلوب، آلومینا برجسته ترین ماده در زمینه کاربرد زرهی می باشد.  اما زمانی که وزن کمتر مورد نیاز باشد (به عنوان مثال، کاربرد حفاظت شخصی و هلی کوپترها) ممکن از سیلیکون کاربید هم استفاده شود.

علاوه بر این ویژگی ها مواد سرامیکی دیگری نیز به منظور حفاظت بالستیکی در نظر گرفته شده است :

– سیلیکون نیترید SN

– تیتانبوم بوراید

– آلومینیوم نیترید AlN

– سیالون (سیلیکون آلومینیوم اکسی نیترید)

– سرامیک های تقویت شده با فیبر (مثل C-SiC)

– کامپوزیت های سرامیک – فلز (CMC)

با این حال با توجه به عملکرد بالای بالستیکی مواد اشاره شده، به دلایل مسائل اقتصادی، از لحاظ فنی نمی توان با آن ارتباط مطلوبی برقرار نمود.

 

سیستم زره سرامیکی -پلیمری

به طورکلی ساختمان زره های کامپوزیتی سبک دارای سیستم چهار جزئی زیر است (شکل ۱) :

– اسپال فویل

– سرامیک

– زیرلایه یا بستر کامپوزیتی

– چسب

در یک سیستم زره کامپوزیتی، سرامیک ترجیحا روی سطوح ضریه پذیر و عمود بر جهت تهدید قرار داده می شود. الیاف پلیمری متشکل از پلی آرامید، پلی اتیلن یا پلی پروپیلن صفحه Backing (حمایت کننده) کامپوزیت را تشکیل می دهند. برای سفت شدن و افزایش مقاومت منحصر به فرد ساختاری باید لایه هایی اشباع از چسب کورینگ شده ایجاد نمود. انتخاب مناسب چسب مانند رابر، پلی اورتان و یا اپکسی می تواند در خواص مکانیکی زره در برابر تهدید موثر واقع گردد.

پیوند شیمیایی مناسب بین سرامیک و کامپوزیت بستر و یا بین لایه پلیمری اهمیت کلیدی در عملکرد کل سیستم دارد. علاوه بر این، از اسپال برای حفاظت قسمت جلویی سرامیک یا لایه های سرامیک – فیبر شیشه نیز استفاده می شود.

هر جز در سیستم کامپوزیتی دارای یک عملکرد خاص است. لایه سخت سرامیکی سرعت پرتابه را کاهش می دهد و باعث خرد شدن آن می گردد، در نتیجه باعث کم شدن جرم پرتابه می شود و انرژی الاستیک و تغییر شکل پلاستیک ناشی از باقی مانده پرتابه توسط کامپوزیت بستر جذب می شود.

 

                                                    1شکل ۱) اجزای سیسم زره کامپوزیتی و عملکرد آن را نشان میدهد.

مکانیزم نفوذ

این مکانیزم را می توان از طریق کاهش انرژی جنبشی، نفوذ و سوراخ شدن زره با استفاده از تحلیل داده های اشعه ایکس توضیح داد. هنگامی که پرتابه به سطح سرامیکی برخورد می کند بدون اینکه بتواند در سرامیک نفوذ کند، انرژی جنبشی آن تا حد زیادی کاهش می یابد در این مرحله پرتابه یک تغییر شکل انعطاف پذیر را بعد از زمان تقریبا ۱۵ تا ۲۰ میکروثانیه تجربه می کند در این فرآیند بیشتر انرژی پرتابه بر اثر فرسایش کاهش می یابد. قطعات شکسته شده پرتابه بعد از تقریبا ۳۰ میکروثانیه در سرامیک نفوذ می کند. انرژی باقی مانده این قطعات تنها معادل ۱۵% از انرژی کل است که به راحتی توسط Backing جذب می شود. (شکل ۲)

این به آن معنی است که جذب انرژی جنبشی :

انرژی جنبشی ساکن حدود ۳۵%

انرژی جنبشی فرسایش حدود ۵۰%

انرژی جنبشی حمایت کننده (Backing) حدود ۱۵%

 

 

3

شکل ۲) بررسی مکانیزم نفوذ در زره سرامیکی .

هدف از توسعه سیستم های سرامیکی یافتن کمترین وزن و راه حلی اقتصادی و مقرون به صرفه برای یک تهیدید مشخص است، مثلا اشکال استوانه ای و شش ضلعی برای مقابله با تهدیدات ناشی از شلیک مستقیم و قطعات بزرگتر برای حفاظت در برابر بمب های دست ساز و کنار جاده ای مناسب است. ضخمات زره سرامیکی به سطح خطر وتهدید بستگی دارد و می تواند از ۴ تا ۲۵ میلی متر متفاوت باشد (شکل ۳) .

استراتژی های کاهش وزن زره سرامیکی :

– کاهش ضخامت

– تجدید نظر و یا اصلاح سیستم Backing برای جبران ضخامت سرامیک

– تعویض سیستم Backing با عملکرد بالاتر و سبک تر

– استفاده از سرامیک های با بهروری بالستیکی بالاتر و دانسیته کمتر مواد آن

از آنجایی که اجزای سرامیکی تنها نقش اصلی در داشتن وزن سیستم را بازی می کنند، انتخاب مواد مختلف می تواند راه حلی موثرتر در کاهش وزن باشد. برای مثال، جایگزین کردن سیلیکون کاربید بجای آلومینا.

 

5

شکل ۳) اشکال مختلف سرامیکی که بسته به کاربرد در ساخت زره استفاده می شوند.

 

 

منبع نوشته: CeramTec-ETEC GmbH

درباره نویسنده

مطالب مرتبط

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *