Automjetet ushtarake janë bërë tradicionalisht prej çeliku të blinduar të rëndë, të shtrenjtë, por me forcë të lartë. Materialet moderne të përbëra prej qeramike përdoren gjithnjë e më shumë si mbrojtje jo-mbajtëse për automjetet luftarake. Përparësitë kryesore të materialeve të tilla janë kostoja dukshëm më e ulët, mbrojtja e përmirësuar dhe ulja e peshës me më shumë se gjysmën. Konsideroni materialet moderne qeramike bazë të përdorura sot për mbrojtje balistike
Për shkak të aftësisë së tij për të përballuar temperatura shumë të larta, dukshëm më të larta se ajo e metaleve, ngurtësinë, forcën më të lartë specifike dhe ngurtësinë specifike, qeramika përdoret gjerësisht për prodhimin e rreshtave për motorët, përbërësit e raketave, skajet e prerjes së veglave, të veçanta transparente dhe mburoja të errëta, të cilat, natyrisht, janë ndër fushat prioritare për zhvillimin e sistemeve ushtarake. Sidoqoftë, në të ardhmen, qëllimi i aplikimit të tij duhet të zgjerohet ndjeshëm, pasi në kuadrin e kërkimit dhe zhvillimit të kryer në shumë vende të botës, mënyra të reja të rritjes së plasticitetit, rezistencës ndaj plasaritjeve dhe vetive të tjera të dëshirueshme mekanike janë duke u kërkuar nga duke kombinuar një bazë qeramike me fibra përforcuese në të ashtuquajturën matricë qeramike.materiale të përbëra (KMKM). Gjithashtu, teknologjitë e reja të prodhimit do të lejojnë prodhimin masiv të produkteve transparente me cilësi të lartë të formave komplekse dhe madhësive të mëdha nga materialet që transmetojnë valë të dukshme dhe infra të kuqe. Për më tepër, krijimi i strukturave të reja duke përdorur nanoteknologji do të bëjë të mundur marrjen e materialeve të qëndrueshme dhe të lehta, rezistente ndaj nxehtësisë, kimikisht rezistente dhe, në të njëjtën kohë, praktikisht të pathyeshme. Ky kombinim i pronave sot konsiderohet reciprokisht ekskluzive dhe kështu shumë tërheqës për aplikimet ushtarake.
Materialet e përbëra të matricës qeramike (KMKM)
Ashtu si analogët e tyre polimer, CMC përbëhen nga një substancë bazë, e quajtur një matricë, dhe një mbushës përforcues, i cili është grimca ose fibra të një materiali tjetër. Fijet mund të jenë të vazhdueshme ose diskrete, të orientuara rastësisht, të vendosura në kënde të sakta, të ndërthurura në një mënyrë të veçantë për të marrë forcë dhe ngurtësi të shtuar në drejtimet e dhëna, ose të shpërndara në mënyrë të barabartë në të gjitha drejtimet. Sidoqoftë, çfarëdo që të jetë kombinimi i materialeve ose orientimi i fibrave, lidhja midis matricës dhe përbërësit përforcues është kritike për vetitë e materialit. Meqenëse polimeret janë më pak të ngurtë se materiali që i përforcon ato, lidhja midis matricës dhe fibrave është zakonisht mjaft e fortë për të lejuar që materiali t'i rezistojë lakimit në tërësi. Sidoqoftë, në rastin e CMCM, matrica mund të jetë më e fortë se fijet përforcuese, kështu që forca lidhëse, e optimizuar në mënyrë të ngjashme për të lejuar delokalizim të lehtë të fibrës dhe matricës, ndihmon në absorbimin e energjisë së ndikimit, për shembull, dhe parandalimin e zhvillimit të çarjeve që përndryshe do të çonte në shkatërrim dhe ndarje të brishtë. Kjo e bën CMCM shumë më viskoze në krahasim me qeramikën e pastër, dhe kjo është më e rëndësishmja nga vetitë e pjesëve lëvizëse shumë të ngarkuara, për shembull, pjesët e motorëve jet.
Thika të lehta dhe të nxehta të turbinës
Në Shkurt 2015, GE Aviation njoftoi prova të suksesshme të asaj që ajo e quan "kompleti i parë jo-statik CMC në botë për një motor avioni", megjithëse kompania nuk zbuloi materialet e përdorura për matricën dhe materialin përforcues. Ne po flasim për tehe të turbinës me presion të ulët në një model eksperimental të motorit turbofan F414, zhvillimi i të cilit synon të sigurojë konfirmim të mëtejshëm të pajtueshmërisë së materialit me kërkesat e deklaruara për operim në ngarkesa të larta goditjeje. Ky aktivitet është pjesë e Programit të Demonstrimit të Motorit të Adaptivit të Teknologjisë së Motorit Përshtatës (AETD), i Gjeneratës së Vjetër, në të cilin GE po bashkëpunon me Laboratorin Kërkimor të Forcave Ajrore të SHBA. Qëllimi i programit AETD është të sigurojë teknologji kryesore që mund të zbatohen në motorët e luftëtarëve të gjeneratës së gjashtë dhe, duke filluar nga mesi i viteve 2020, në motorët e avionëve të gjeneratës së pestë, siç është F-35. Motorët përshtatës do të jenë në gjendje të rregullojnë rritjen e presionit të tyre dhe raportin e anashkalimit në fluturim në mënyrë që të marrin shtytjen maksimale gjatë ngritjes dhe në luftime, ose efikasitetin maksimal të karburantit në mënyrën e fluturimit të lundrimit.
Kompania thekson se futja e pjesëve rrotulluese të bëra nga CMC në pjesët "më të nxehta dhe më të ngarkuara" të një motori jet paraqet një përparim domethënës, pasi më parë teknologjia lejonte përdorimin e CMC vetëm për prodhimin e pjesëve të palëvizshme, për shembull, një qefin me turbinë me presion të lartë. Gjatë testeve, tehet e turbinës KMKM në motorin F414 kaluan 500 cikle - nga shpejtësia e papunë në goditjen e ngritjes dhe mbrapa.
Fletët e turbinës janë shumë më të lehta se thikat konvencionale të aliazhit të nikelit, gjë që lejoi që disqet metalikë në të cilët janë ngjitur të jenë më të vegjël dhe më të lehtë, tha kompania.
"Kalimi nga lidhjet e nikelit në qeramikën rrotulluese brenda motorit është një hap vërtet i madh përpara. Por është mekanikë e pastër, "tha Jonathan Blank, kreu i CMC dhe lidhësve polimer në GE Aviation. - Thikat më të lehta krijojnë më pak forcë centrifugale. Kjo do të thotë që ju mund të zvogëloni diskun, kushinetat dhe pjesët e tjera. KMKM bëri të mundur bërjen e ndryshimeve revolucionare në hartimin e një motori jet ".
Qëllimi i programit AETD është të zvogëlojë konsumin specifik të karburantit me 25%, të rrisë gamën e fluturimit me më shumë se 30% dhe të rrisë shtytjen maksimale me 10% në krahasim me luftëtarët më të përparuar të gjeneratës së 5 -të. "Një nga sfidat më të mëdha në kalimin nga përbërësit statikë të CMC në komponentët rrotullues është fusha e stresit në të cilën ata duhet të veprojnë," tha Dan McCormick, Menaxher i Programit të Avancuar të Motorit të Luftimit në GE Aviation. Në të njëjtën kohë, ai shtoi se testimi i motorit F414 dha rezultate të rëndësishme që do të përdoren në motorin e ciklit adaptiv. "Një teh i turbinës CMC me presion të ulët peshon tre herë më pak se tehu metalik që zëvendëson, përveç kësaj, në mënyrën e dytë ekonomike, nuk ka nevojë të ftohni tehun CMC me ajër. Tehu tani do të jetë më efikas në aspektin aerodinamik pasi nuk ka nevojë të pomponi gjithë këtë ajër ftohës përmes tij."
Materialet KMKM, në të cilat kompania thotë se ka investuar më shumë se një miliard dollarë që kur filloi punën në to në fillim të viteve '90, mund t'i rezistojnë temperaturave qindra gradë më të larta se lidhjet tradicionale të nikelit dhe dallohen nga përforcimi i fibrave të karabit të silikonit në një matricë qeramike., e cila rrit forcën e saj të ndikimit dhe rezistencën ndaj plasaritjeve.
GE duket se ka bërë një punë mjaft të vështirë në këto tehe turbine. Në të vërtetë, disa nga vetitë mekanike të KMKM janë shumë modeste. Për shembull, forca në tërheqje është e krahasueshme me forcën në tërheqje të bakrit dhe lidhjeve të lira të aluminit, e cila nuk është shumë e mirë për pjesët që i nënshtrohen forcave të mëdha centrifugale. Përveç kësaj, ato shfaqin një tendosje të ulët në pushim, domethënë ato zgjaten shumë pak në pushim. Sidoqoftë, këto mangësi duket se janë kapërcyer, dhe pesha e ulët e këtyre materialeve patjetër dha një kontribut të rëndësishëm në fitoren e teknologjisë së re.
Armatura modulare me nanoceramike për rezervuarin LEOPARD 2
Kontributi i blinduar i përbërë
Megjithëse teknologjitë e mbrojtjes, të cilat janë një kombinim i shtresave të metaleve, përbërjeve polimer të përforcuar me fibra dhe qeramikë, janë të vendosura mirë, industria vazhdon të zhvillojë materiale komplekse gjithnjë e më komplekse, por shumë nga detajet e këtij procesi fshihen me kujdes. Materialet e avancuara Morgan janë të njohura në këtë fushë, duke shpallur një çmim në konferencën e Automjeteve të Armatosura XV në Londër vitin e kaluar për teknologjinë e saj të mbrojtjes SAMAS. Sipas Morgan, mbrojtja SAMAS e përdorur gjerësisht në automjetet e Ushtrisë Britanike është një material i përbërë i përforcuar me materiale të tilla si S-2 Glass, E-Glass, aramid dhe polietileni, pastaj të formuar në çarçafë dhe të kuruar nën presion të lartë: “Fibrat mund të kombinohen me materiale hibride qeramike-metalike për të përmbushur kërkesat e veçanta të projektimit dhe performancës."
Sipas Morgan, forca të blinduara SAMAS me një trashësi totale prej 25 mm, të përdorura për prodhimin e kapsulave mbrojtëse të ekuipazhit, mund të zvogëlojnë peshën e automjeteve të mbrojtura nga drita me më shumë se 1000 kg në krahasim me automjetet me një kapsulë çeliku. Përfitime të tjera përfshijnë riparime më të lehta me trashësi më të vogël se 5 mm dhe vetitë e brendshme të veshjes së këtij materiali.
Përparim i qartë spinel
Sipas Laboratorit Kërkimor të Marinës Amerikane, zhvillimi dhe prodhimi i materialeve transparente të bazuara në oksid alumini të magnezit (MgAI2O4), i njohur gjithashtu kolektivisht si spinel artificial, po lulëzon. Spinelët kanë qenë prej kohësh të njohur jo vetëm për forcën e tyre - spineli i trashë 0.25 "ka të njëjtat karakteristika balistike si xhami antiplumb 2.5" - por edhe vështirësinë për të bërë pjesë të mëdha me transparencë uniforme. Sidoqoftë, një grup shkencëtarësh nga ky laborator ka shpikur një proces të ri për sinterimin në temperaturë të ulët në një vakum, i cili ju lejon të merrni pjesë me dimensione të kufizuara vetëm nga madhësia e shtypit. Ky është një përparim i madh në krahasim me proceset e mëparshme të prodhimit, i cili filloi me procesin e shkrirjes së pluhurit origjinal në një enë shkrirëse.
Një nga sekretet e procesit të ri është shpërndarja uniforme e aditivit të sinterimit të fluorit të litiumit (LiF), i cili shkrin dhe lubrifikon kokrrat e spinelit në mënyrë që ato të shpërndahen në mënyrë të barabartë gjatë sinterimit. Në vend të përzierjes së thatë të fluorit të litiumit dhe spinelit, laboratori ka zhvilluar një metodë për veshjen uniforme të grimcave të spinelit me fluor litium. Kjo ju lejon të zvogëloni ndjeshëm konsumin e LiF dhe të rrisni transmetimin e dritës deri në 99% të vlerës teorike në rajonet e dukshme dhe të mesme infra të kuqe të spektrit (0.4-5 mikronë).
Procesi i ri, i cili lejon prodhimin e optikës në forma të ndryshme, duke përfshirë çarçafët që përshtaten rehat me krahët e një aeroplani apo droni, është licencuar nga një kompani pa emër. Aplikimet e mundshme për spinel përfshijnë xham të blinduar që peshon më pak se gjysmën e masës së xhamit ekzistues, maska mbrojtëse për ushtarët, optikë për lazerët e gjeneratës së ardhshme dhe syze sensori multispektral. Kur prodhohen masivisht, për shembull, syze rezistente ndaj plasaritjeve për smartphone dhe tableta, kostoja e produkteve spinel do të ulet ndjeshëm.
PERLUCOR - një arritje e re në sistemet e mbrojtjes nga plumbat dhe veshin
CeramTec-ETEC zhvilloi qeramikë transparente PERLUCOR disa vjet më parë me perspektiva të mira si për mbrojtjen ashtu edhe për ato civile. Karakteristikat e shkëlqyera fizike, kimike dhe mekanike të PERLUCOR ishin arsyet kryesore për hyrjen e suksesshme të këtij materiali në treg.
PERLUCOR ka një transparencë relative prej mbi 90%, është tre deri në katër herë më e fortë dhe më e fortë se xhami i zakonshëm, rezistenca ndaj nxehtësisë e këtij materiali është rreth tre herë më e lartë, gjë që e lejon atë të përdoret në temperatura deri në 1600 ° C, gjithashtu ka një rezistencë kimike jashtëzakonisht të lartë, kjo lejon përdorimin e tij me acide të përqendruara dhe alkalet. PERLUCOR ka një indeks të lartë thyes (1, 72), i cili bën të mundur prodhimin e objektivave optikë dhe elementëve optikë të dimensioneve miniaturë, domethënë marrjen e pajisjeve me zmadhim të fuqishëm, të cilat nuk mund të arrihen me polimere ose qelq. Pllakat qeramike PERLUCOR kanë një madhësi standarde 90x90 mm; megjithatë, CeramTec-ETEC ka zhvilluar një teknologji për prodhimin e fletëve në formë komplekse bazuar në këtë format sipas specifikimeve të klientit. Trashësia e paneleve në raste të veçanta mund të jetë e dhjeta e një milimetri, por, si rregull, është 2-10 mm.
Zhvillimi i sistemeve më të lehta dhe më të holla të mbrojtjes transparente për tregun e mbrojtjes po përparon me një ritëm të shpejtë. Një kontribut domethënës në këtë proces jep qeramika transparente e kompanisë SegamTes, e cila është pjesë e sistemeve të mbrojtjes të shumë prodhuesve. Kur testohet në përputhje me STANAG 4569 ose APSD, zvogëlimi i peshës është në rendin prej 30-60 përqind.
Vitet e fundit, një drejtim tjetër në zhvillimin e teknologjive të zhvilluara nga SegatTes-ETEC është marrë. Dritaret e automjeteve, veçanërisht në zonat shkëmbore dhe shkretëtira të tilla si Afganistani, janë të prirur ndaj goditjeve të gurit dhe gërvishtjeve nga lëvizja e fshirëseve në një xham të mbuluar me rërë dhe me pluhur. Gjithashtu, karakteristikat balistike të syzeve rezistente ndaj plumbave që janë dëmtuar nga goditjet e gurit janë zvogëluar. Gjatë armiqësive, automjetet me xham të dëmtuar janë të ekspozuar ndaj rreziqeve serioze dhe të paparashikueshme. SegamTes-ETEC ka zhvilluar një zgjidhje vërtet inovative dhe origjinale për mbrojtjen e xhamit nga ky lloj konsumimi. Një shtresë e hollë (<1 mm) e veshjes qeramike PERLUCOR në sipërfaqen e xhamit ndihmon për t'i rezistuar me sukses një dëmtimi të tillë. Kjo mbrojtje është gjithashtu e përshtatshme për instrumentet optikë si teleskopët, lentet, pajisjet me rreze infra të kuqe dhe sensorë të tjerë. Lentet e sheshta si dhe të lakuara të bëra nga qeramika e qartë PERLUCOR zgjasin jetëgjatësinë e kësaj pajisje optike shumë të vlefshme dhe të ndjeshme.
CeramTec-ETEC prezantoi me sukses një panel të dyerve prej xhami antiplumb dhe një panel mbrojtës ndaj gërvishtjeve dhe gurëve në DSEI 2015 në Londër.
Nanoceramike e qëndrueshme dhe fleksibël
Fleksibiliteti dhe elasticiteti nuk janë cilësi që janë të qenësishme në qeramikë, por një ekip shkencëtarësh të udhëhequr nga profesorja e shkencës së materialeve dhe mekanikës Julia Greer nga Instituti i Teknologjisë në Kaliforni e morën problemin. Hulumtuesit e përshkruajnë materialin e ri si "nanolatika qeramike tre-dimensionale të forta, të lehta, të rigjenerueshme". Sidoqoftë, ky është i njëjti emër për një artikull të botuar nga Greer dhe studentët e saj në një revistë shkencore disa vjet më parë.
Ajo që fshihet nën të ilustrohet më së miri nga një kub nanolata të oksidit të aluminit me madhësi disa dhjetëra mikronë, të marra me një mikroskop elektronik. Nën veprimin e ngarkesës, ajo zvogëlohet me 85% dhe, kur hiqet, rikthehet në madhësinë e tij origjinale. Eksperimentet u kryen gjithashtu me grila të përbëra nga tuba me trashësi të ndryshme, me tubat më të hollë që ishin më të fortë dhe më elastikë. Me një trashësi të murit të tubit prej 50 nanometra, grilë u shemb, dhe me një trashësi muri prej 10 nanometra, ai u kthye në gjendjen e tij origjinale - një shembull se si efekti i madhësisë rrit forcën e disa materialeve. Teoria e shpjegon këtë me faktin se me një rënie në madhësi, numri i defekteve në materialet pjesa më e madhe zvogëlohet proporcionalisht. Me këtë arkitekturë të grilës së tubave të zbrazët, 99.9% e vëllimit të kubit është ajër.
Ekipi i profesorit Greer krijon këto struktura të vogla duke drejtuar një proces të ngjashëm me printimin 3D. Çdo proces fillon me një skedar CAD që drejton dy lazer që "pikturojnë" strukturën në tre dimensione, duke e shëruar polimerin në pikat ku trarët përforcojnë njëri -tjetrin në fazë. Polimeri i pakuruar rrjedh nga rrjeta e kuruar, e cila tani bëhet nënshtresa për të formuar strukturën përfundimtare. Hulumtuesit pastaj aplikojnë aluminin në substrat duke përdorur një metodë që kontrollon me saktësi trashësinë e veshjes. Së fundi, skajet e grilës priten për të hequr polimerin, duke lënë vetëm grilën kristal të tubave të aluminit të uritur.
Forca e çelikut, por peshon si ajri
Potenciali i materialeve të tilla "të projektuara", të cilat janë kryesisht nga vëllimi, por janë më pak të forta si çeliku, është i madh, por i vështirë për t'u kuptuar, kështu që profesori Greer dha disa shembuj të mrekullueshëm. Shembulli i parë, balona nga të cilat pompohet heliumi, por në të njëjtën kohë duke ruajtur formën e tyre. Avioni i dytë, i ardhshëm, dizajni i të cilit peshon sa peshon modeli i tij manual. Çuditërisht, nëse Ura e famshme Golden Gate do të ishte bërë nga nanolatika të tilla, të gjithë materialet e nevojshme për ndërtimin e saj mund të vendoseshin (pa ajrin) në një pëllëmbë njerëzore.
Ashtu si avantazhet e mëdha strukturore të këtyre materialeve të forta, të lehta dhe rezistente ndaj nxehtësisë të përshtatshme për aplikime të panumërta ushtarake, vetitë e tyre të paracaktuara elektrike mund të bëjnë revolucion në ruajtjen dhe prodhimin e energjisë: “Këto nanostruktura janë shumë të lehta, mekanikisht të qëndrueshme dhe në të njëjtën kohë të mëdha në sipërfaqja, domethënë, ne mund të përdorim në një sërë aplikimesh të tipit elektrokimik."
Këto përfshijnë elektroda jashtëzakonisht efikase për bateritë dhe qelizat e karburantit, ato janë një qëllim i çmuar për furnizimin me energji autonome, termocentralet portative dhe të transportueshme, si dhe një përparim i vërtetë në teknologjinë e qelizave diellore.
"Kristalet fotonike gjithashtu mund të emërtohen në këtë drejtim," tha Greer. "Këto struktura ju lejojnë të manipuloni dritën në mënyrë të tillë që ta kapni plotësisht, që do të thotë se mund të bëni qeliza diellore shumë më efikase - ju kapni të gjithë dritën dhe nuk keni humbje reflektimi."
"E gjithë kjo sugjeron që kombinimi i efektit të madhësisë në nanomateriale dhe elementë strukturorë na lejon të krijojmë klasa të reja të materialeve me veti që nuk kanë qenë të arritshme," tha profesori Greer në Organizatën Evropiane për Kërkime Bërthamore në Zvicër. "Sfida më e madhe me të cilën përballemi është se si të rritemi dhe të kalojmë nga nano në madhësinë e botës sonë."
Mbrojtje industriale qeramike transparente
IBD Deisenroth Engineering ka zhvilluar një forca të blinduara qeramike me performancë balistike të krahasueshme me forca të blinduara qeramike të errëta. Ky forca të blinduara të reja transparente është rreth 70% më e lehtë se xhami e blinduar dhe mund të mblidhet në struktura me të njëjtat karakteristika me shumë ndikime (aftësia për t'i bërë ballë goditjeve të shumta) si forca të blinduara të errëta. Kjo lejon jo vetëm që të zvogëlojë në mënyrë dramatike masën e automjeteve me dritare të mëdha, por edhe të mbyllë të gjitha boshllëqet balistike.
Për të marrë mbrojtje në përputhje me Nivelin 3 të STANAG 4569, xhami antiplumb ka një densitet sipërfaqësor prej afërsisht 200 kg / m2. Me një sipërfaqe tipike të dritares së një kamioni prej tre metrash katrorë, masa e syzeve antiplumb do të jetë 600 kg. Kur zëvendësoni gota të tilla antiplumb me qeramikë IBD, humbja e peshës do të jetë më shumë se 400 kg. Qeramika transparente nga IBD është një zhvillim i mëtejshëm i qeramikës IBD NANOTech. IBD ka pasur sukses në zhvillimin e proceseve të veçanta të lidhjes që përdoren për të mbledhur pllaka qeramike ("forca të blinduara të mozaikut") dhe më pas i petëzojnë këto kuvende në shtresa të forta strukturore për të formuar panele të mëdha dritaresh. Për shkak të karakteristikave të jashtëzakonshme të këtij materiali qeramik, është e mundur të prodhohen panele të blinduara transparente me një peshë dukshëm më të ulët. Mbështetja, në kombinim me petëzimin Natyror NANO-Fiber, rrit më tej performancën balistike të mbrojtjes së re transparente për shkak të thithjes më të madhe të energjisë.
Kompania izraelite OSG (Oran Safety Glass), duke iu përgjigjur niveleve në rritje të paqëndrueshmërisë dhe tensionit në të gjithë botën, ka zhvilluar një gamë të gjerë të produkteve të qelqit antiplumb. Ato janë krijuar posaçërisht për sektorët e mbrojtjes dhe civilëve, ushtrinë, paramilitarët, profesionet civile me rrezik të lartë, ndërtimin dhe industrinë e automobilave. Kompania promovon në treg teknologjitë e mëposhtme: zgjidhje mbrojtëse transparente, zgjidhje mbrojtëse balistike, sisteme shtesë të përparuara të blinduara transparente, dritare vizuale dixhitale, dritare dalëse emergjente, dritare qeramike me teknologji të shfaqjes së ngjyrave, sisteme të integruara të dritës treguese, gurë mburoja xhami rezistente ndaj goditjeve., dhe, më në fund, teknologjia anti-copëtim ADI.
Materialet transparente OSG testohen vazhdimisht në situata të jetës reale: zmbrapsjen e sulmeve fizike dhe balistike, shpëtimin e jetëve dhe mbrojtjen e pronës. Të gjitha materialet transparente të blinduara janë krijuar në përputhje me standardet kryesore ndërkombëtare.
