כלי רכב צבאיים יוצרו באופן מסורתי מפלדת שריון כבדה, יקרה, אך בעלת חוזק גבוה. חומרים מורכבים קרמיים מודרניים משמשים יותר ויותר כהגנה בלתי נושאת לכלי רכב קרביים. היתרונות העיקריים של חומרים כאלה הם עלות נמוכה משמעותית, הגנה משופרת וירידה במשקל ביותר ממחצית. שקול את חומרי הקרמיקה הבסיסיים המודרניים המשמשים כיום להגנה בליסטית
בשל יכולתו לעמוד בטמפרטורות גבוהות מאוד, גבוהות משמעותית מזו של מתכות, קשיות, החוזק הספציפי הגבוה ביותר והנוקשות הספציפית, קרמיקה נמצאת בשימוש נרחב לייצור בטנות למנועים, רכיבי טילים, קצוות חיתוך של כלים, שקוף מיוחד ו מגנים אטומים, שהם, כמובן, בין תחומי העדיפות לפיתוח מערכות צבאיות. עם זאת, בעתיד, היקף יישומה אמור להתרחב משמעותית, שכן במסגרת מחקר ופיתוח שבוצעו במדינות רבות בעולם, מחפשים דרכים חדשות להגברת הפלסטיות, עמידות בפני סדקים ותכונות מכניות רצויות אחרות על ידי שילוב של בסיס קרמי עם סיבי חיזוק במטריקס הקרמיקה. חומרים מרוכבים (KMKM). כמו כן, טכנולוגיות ייצור חדשות יאפשרו ייצור המוני של מוצרים שקופים מאוד עמידים ואיכותיים בצורות מורכבות ובגדלים גדולים מחומרים המשדרים גלי גלוי ואינפרא אדום. בנוסף, יצירת מבנים חדשים באמצעות ננו-טכנולוגיה תאפשר להשיג חומרים עמידים וקלים, עמידי-חום, עמידים מבחינה כימית ויחד עם זאת כמעט בלתי ניתנים להריסה. שילוב הנכסים הזה נחשב היום לבלתי הדדי ולכן אטרקטיבי מאוד ליישומים צבאיים.
חומרים מרוכבים מטריקס (KMKM)
בדומה לאנלוגים הפולימריים שלהם, CMCs מורכבים מחומר בסיס, הנקרא מטריצה, וממלא חיזוק, שהוא חלקיקים או סיבים של חומר אחר. סיבים יכולים להיות רציפים או נפרדים, מכוונים אקראיים, מונחים בזוויות מדויקות, שזורים זה בזה בצורה מיוחדת בכדי להשיג חוזק ונוקשות מוגברים בכיוונים נתונים, או מופצים באופן שווה לכל הכיוונים. עם זאת, לא משנה מה שילוב החומרים או כיוון הסיבים, הקשר בין המטריצה לרכיב החיזוק הוא קריטי למאפייני החומר. מכיוון שהפולימרים פחות קשיחים מהחומר המחזק אותם, הקשר בין המטריצה לסיבים הוא בדרך כלל חזק מספיק כדי לאפשר לחומר להתנגד להתכופפות בכללותו. עם זאת, במקרה של CMCM, המטריצה יכולה להיות נוקשה יותר מסיבי החיזוק כך שכוח ההצמדה, המותאם באופן דומה לאפשר דילוקליזציה קלה של הסיבים והמטריצה, מסייע לקליטת אנרגיית השפעה, למשל, ולמנוע התפתחות סדקים. שאחרת יוביל להרס ולפיצול שביר. זה הופך את CMCM לצמיגי הרבה יותר בהשוואה לקרמיקה טהורה, וזהו המאפיין החשוב ביותר מבין חלקים נעים עמוסים במיוחד, למשל חלקים של מנועי סילון.
להבי טורבינה קלים וחמים
בפברואר 2015, GE Aviation הכריזה על ניסויים מוצלחים של מה שהיא מכנה "ערכת ה- CMC הבלתי סטטית הראשונה בעולם עבור מנוע מטוסים", למרות שהחברה לא חשפה את החומרים המשמשים למטריקס ולחומר החיזוק. אנו מדברים על להבי טורבינה בלחץ נמוך בדגם ניסיוני של מנוע הטורבופן F414, שפיתוחו נועד לספק אישור נוסף לעמידת החומר בדרישות המוצהרות להפעלה בעומסי זעזועים גבוהים. פעילות זו הינה חלק מתוכנית ההפגנה של טכנולוגיית מנוע אדפטיבית (AETD) מהדור הבא של הדפסה עצמית של מנוע, בה GE משתפת פעולה עם מעבדת המחקר של חיל האוויר האמריקאי. מטרת התוכנית AETD היא לספק טכנולוגיות מפתח הניתנות ליישום במנועים של לוחמי הדור השישי, החל מאמצע שנות ה -20 במנועים של מטוסי הדור החמישי, כגון ה- F-35. מנועים מותאמים יוכלו להתאים את עליית הלחץ ויחס העקיפה שלהם בטיסה על מנת להשיג דחף מרבי בזמן ההמראה ובקרב, או יעילות דלק מרבית במצב טיסת שיוט.
החברה מדגישה כי הכנסת חלקים מסתובבים העשויים מ- CMC לחלקים ה"חמים והעמוסים ביותר "של מנוע סילון מהווים פריצת דרך משמעותית, שכן בעבר הטכנולוגיה אפשרה שימוש ב- CMC רק לייצור חלקים נייחים, למשל, מעטה טורבינה בלחץ גבוה. במהלך הבדיקות עברו להבי הטורבינה של KMKM במנוע F414 500 מחזורים - ממהירות סרק ועד דחיפת המראה וחזרה.
להבי הטורבינה קלים בהרבה מאשר להבי סגסוגת ניקל רגילים, מה שאפשר לדיסקי המתכת שאליהם הם מחוברים להיות קטנים וקלים יותר, מסרה החברה.
"המעבר מסגסוגות ניקל לקרמיקה מסתובבת בתוך המנוע הוא קפיצה גדולה קדימה. אבל זה מכניקה טהורה ", אמר ג'ונתן בלנק, ראש CMC וקלסרים פולימריים ב- GE Aviation. להבים בהירים יוצרים פחות כוח צנטריפוגלי. זה אומר שאתה יכול לכווץ דיסק, מסבים וחלקים אחרים. KMKM אפשרה לבצע שינויים מהפכניים בעיצוב מנוע סילון”.
מטרת תוכנית AETD היא להפחית את צריכת הדלק הספציפית ב -25%, להגדיל את טווח הטיסה ביותר מ -30% ולהגדיל את הדחף המרבי ב -10% בהשוואה ללוחמי הדור החמישי המתקדמים ביותר. "אחד האתגרים הגדולים ביותר במעבר מרכיבי CMC סטטיים לרכיבים מסתובבים הוא תחום המתח בו הם חייבים לפעול", אמר דן מק'ורמיק, מנהל תכנית מנוע קרבי מתקדם ב- GE Aviation. יחד עם זאת, הוא הוסיף כי בדיקת מנוע F414 הניבה תוצאות חשובות שישמשו את מנוע המחזור ההסתגלות. "להב טורבינת CMC בלחץ נמוך שוקל פי שלוש מהלהב המתכתי שהוא מחליף, בנוסף, במצב החסכוני השני, אין צורך לקרר את להב ה- CMC באוויר. הלהב יהיה יעיל יותר מבחינה אווירודינמית מכיוון שאין צורך לשאוב את כל אוויר הקירור הזה דרכו ".
חומרי KMKM, שבהם החברה אומרת שהשקיעה יותר ממיליארד דולר מאז שהחלה לעבוד עליהם בתחילת שנות ה -90, יכולים לעמוד בטמפרטורות הגבוהות במאות מעלות מעלות מאשר סגסוגות ניקל מסורתיות ומובחנות על ידי חיזוק סיבי סיליקון קרביד במטריקס קרמי.., המגדיל את חוזק ההשפעה ואת עמידות הסדקים.
נראה ש- GE עשתה עבודה די קשה על להבי הטורבינות האלה. ואכן חלק מהתכונות המכניות של KMKM צנועות מאוד.לדוגמה, חוזק המתיחות דומה לחוזק המתיחות של נחושת וסגסוגות אלומיניום זולות, דבר שאינו טוב במיוחד לחלקים הנתונים לכוחות צנטריפוגלים גדולים. בנוסף, הם מפגינים מתח נמוך בהפסקה, כלומר הם מתארכים מעט מאוד בהפסקה. עם זאת, נראה כי התגברו על החסרונות הללו, ומשקלם הנמוך של חומרים אלה בהחלט תרם תרומה חשובה לניצחון הטכנולוגיה החדשה.
שריון מודולרי עם ננו -קרמיקה לטנק LEOPARD 2
תרומת שריון מורכבת
למרות שטכנולוגיות הגנה, שהן שילוב של שכבות מתכת, חומרים מרוכבים פולימר מחוזק סיבים וקרמיקה, מבוססות היטב, התעשייה ממשיכה לפתח חומרים מרוכבים יותר ויותר מורכבים, אך רבים מפרטי תהליך זה מוסתרים בקפידה. חברת Morgan Advanced Materials ידועה בתחום, והכריזה על פרס בכנס משוריין רכבים XV בלונדון בשנה שעברה על טכנולוגיית ההגנה SAMAS שלה. לדברי מורגן, הגנת SAMAS הנמצאת בשימוש נרחב בכלי רכב של הצבא הבריטי היא חומר מרוכב המחוזק בחומרים כגון S-2 זכוכית, E-Glass, ארמיד ופוליאתילן, ולאחר מכן נוצר ליריעות ונרפא בלחץ גבוה: "ניתן לשלב סיבים עם חומרי קרמיקה-מתכת היברידית כדי לעמוד בדרישות עיצוב וביצועים מיוחדים."
לדברי מורגן, שריון SAMAS בעובי כולל של 25 מ"מ, המשמש לייצור קפסולות הגנה של הצוות, יכול להפחית את משקלם של רכבים מוגנים קלים ביותר מ -1000 ק"ג בהשוואה לרכבים עם קפסולת פלדה. יתרונות נוספים כוללים תיקונים קלים יותר עם עובי עבה יותר מ -5 מ"מ ותכונות האריגה של חומר זה.
התקדמות מפורשת של ספינל
על פי מעבדת המחקר של הצי האמריקאי, הפיתוח והייצור של חומרים שקופים המבוססים על תחמוצת מגנזיום אלומיניום (MgAI2O4), הידועים גם יחד בשם ספינלים מלאכותיים, פורחים. הספינלים ידועים זה מכבר לא רק בזכות כוחם - לספינל עבה בגודל 0.25 אינץ 'יש אותם מאפיינים בליסטיים כמו זכוכית חסינת כדורים בגובה 2.5 אינץ' - אלא גם הקושי לייצר חלקים גדולים בשקיפות אחידה. עם זאת, קבוצת מדענים ממעבדה זו המציאה תהליך חדש לסנטר בטמפרטורה נמוכה בחלל ריק, המאפשר לך לקבל חלקים עם ממדים המוגבלים רק בגודל העיתונות. זוהי פריצת דרך משמעותית בהשוואה לתהליכי ייצור קודמים, שהחלו בתהליך המסת האבקה המקורית בכור היתוך.
אחד מסודות התהליך החדש הוא חלוקה אחידה של תוסף הסינון של ליתיום פלואוריד (LiF), הממיס ומשמן את גרגירי הספינל כך שניתן יהיה לחלקם באופן אחיד במהלך הסינתר. במקום ערבוב יבש של ליתיום פלואוריד ואבקות ספינל, המעבדה פיתחה שיטה לציפוי אחיד של חלקיקי הספינל בליתיום פלואוריד. זה מאפשר לך להפחית באופן משמעותי את צריכת ה- LiF ולהגדיל את העברת האור עד 99% מהערך התיאורטי באזורים הנראים והאמצעיים של הספקטרום (0.4-5 מיקרון).
התהליך החדש, המאפשר ייצור אופטיקה בצורות שונות, כולל יריעות המתאימות בנוחות לכנפיים של מטוס או מזל ט, קיבל רישיון של חברה ללא שם. יישומים אפשריים לספינל כוללים זכוכית משוריינת במשקל של פחות ממחצית המסה של הזכוכית הקיימת, מסכות הגנה לחיילים, אופטיקה לייזרים מהדור הבא, ומשקפי חיישנים רב ספקטרליים. כאשר ייצור המוני, למשל, כוסות עמידות בפני סדקים לסמארטפונים וטאבלטים, עלות מוצרי הספינל תרד משמעותית.
PERLUCOR - אבן דרך חדשה במערכות הגנה על כדורים ושחיקה
CeramTec-ETEC פיתחה לפני מספר שנים קרמיקה שקופה של PERLUCOR עם סיכויים טובים הן להגנה והן ליישומים אזרחיים. התכונות הפיסיקליות, הכימיות והמכניות המעולות של PERLUCOR היו הסיבות העיקריות לכניסה מוצלחת של חומר זה לשוק.
ל- PERLUCOR שקיפות יחסית של מעל 90%, חזקה וקשה פי שלושה עד זכוכית רגילה, עמידות החום של חומר זה גבוהה פי שלוש, מה שמאפשר להשתמש בו בטמפרטורות של עד 1600 ° C, הוא גם בעל עמידות כימית גבוהה במיוחד, זה מאפשר את השימוש בו עם חומצות מרוכזות ואלקליות. ל- PERLUCOR יש אינדקס שבירה גבוה (1, 72), המאפשר לייצר מטרות אופטיות ואלמנטים אופטיים במידות זעירות, כלומר להשיג מכשירים בעלי הגדלה עוצמתית, שלא ניתן להשיג באמצעות פולימרים או זכוכית. אריחי הקרמיקה של PERLUCOR הם בגודל סטנדרטי של 90x90 מ"מ; עם זאת, CeramTec-ETEC פיתחה טכנולוגיה לייצור יריעות בצורת מורכבות המבוססות על פורמט זה על פי מפרטי הלקוח. עובי הלוחות יכול במקרים מיוחדים להיות עשיריות של מילימטר, אך, ככלל, הוא 2-10 מ"מ.
פיתוח מערכות קלות ודקות יותר של הגנה שקופה לשוק הביטחוני מתקדם בקצב מהיר. תרומה משמעותית לתהליך זה נעשית על ידי הקרמיקה השקופה של חברת SegamTes, המהווה חלק ממערכות ההגנה של יצרנים רבים. כאשר נבדקים בהתאם ל- STANAG 4569 או APSD, הפחתת המשקל היא בסדר גודל של 30-60 אחוזים.
בשנים האחרונות קיבל כיוון נוסף בפיתוח טכנולוגיות שפיתחה SegatTes-ETEC. חלונות כלי רכב, במיוחד באזורים סלעיים ומדבריים כמו אפגניסטן, מועדים לפגיעות באבן ושריטות כתוצאה מתנועת להבי מגב על שמשות חוליות ומאובקות. כמו כן, המאפיינים הבליסטיים של משקפיים עמידים לכדורים שנפגעו מפגיעות אבן מופחתים. במהלך פעולות האיבה חשופים כלי רכב עם זכוכית פגומה לסיכונים חמורים ובלתי צפויים. SegamTes-ETEC פיתחה פתרון חדשני ומקורי באמת להגנה על זכוכית מפני בלאי מסוג זה. שכבה דקה (<1 מ"מ) של ציפוי קרמיקה PERLUCOR על משטח השמשה מסייעת להתמודד בהצלחה עם נזקים כאלה. הגנה זו מתאימה גם למכשירים אופטיים כגון טלסקופים, עדשות, ציוד אינפרא אדום וחיישנים אחרים. העדשות השטוחות והעקומות העשויות קרמיקה שקופה של PERLUCOR מאריכות את תוחלת החיים של ציוד אופטי יקר ורגיש זה.
CeramTec-ETEC הציגה בהצלחה לוח דלת זכוכית חסינת כדורים ולוח מגן עמיד בפני שריטות ואבנים ב- DSEI 2015 בלונדון.
ננו -קרמיקה עמידה וגמישה
גמישות וחוסן אינן תכונות הטמונות בקרמיקה, אך צוות מדענים בראשות פרופסור למדעי החומרים והמכאניקה ג'וליה גריר מהמכון הטכנולוגי בקליפורניה לקח על עצמו את הבעיה. החוקרים מתארים את החומר החדש כ"ננו-סריגות קרמיקה תלת מימדי קשיחות, קלות ומתחדשות ". עם זאת, זהו אותו שם למאמר שפרסמו גריר ותלמידיה בכתב עת מדעי לפני מספר שנים.
מה שמוחבא מתחתיו מוצג בצורה הטובה ביותר על ידי קוביית ננול תחמוצת אלומיניום, שגודלה הוא כמה עשרות מיקרון, שצולם במיקרוסקופ אלקטרונים. תחת פעולת העומס, הוא מתכווץ ב -85%, וכאשר הוא מוסר, הוא משוחזר לגודלו המקורי. ניסויים בוצעו גם עם סריגים המורכבים מצינורות בעוביים שונים, כאשר הצינורות הדקים ביותר הם החזקים והאלסטיים ביותר.עם עובי דופן צינור של 50 ננומטר, הסריג קרס, ובעובי הקיר של 10 ננומטר הוא חזר למצבו המקורי - דוגמה לאופן שבו אפקט הגודל מגביר את חוזקם של חומרים מסוימים. התיאוריה מסבירה זאת בכך שעם ירידה בגודל מספר הפגמים בחומרים בכמויות גדולות יורד באופן יחסי. עם ארכיטקטורה זו של סריג הצינורות החלולים, 99.9% מנפח הקוביה הוא אוויר.
צוות פרופסור גריר יוצר מבנים זעירים אלה על ידי הפעלת תהליך הדומה להדפסה תלת מימדית. כל תהליך מתחיל בקובץ CAD המניע שני לייזרים ש"צובעים "את המבנה בתלת מימד, מרפאים את הפולימר בנקודות שבהן הקורות מעצימות זו את זו בשלב. הפולימר הלא מרפא זורם החוצה מהרשת שנרפאה, שהופכת כעת למצע ליצירת המבנה הסופי. לאחר מכן מיישמים החוקרים את האלומינה על המצע באמצעות שיטה השולטת במדויק בעובי הציפוי. לבסוף, קצות הסריג נחתכים כדי להסיר את הפולימר, ומשאירים רק את סריג הגביש של צינורות אלומינה חלולים.
חוזק הפלדה, אך שוקל כמו אוויר
הפוטנציאל של חומרים "מהונדסים" כאלה, שהם לרוב אוויר לפי נפח, אך הם פחות כפלדה, הוא עצום, אך קשה להבנה, ולכן נתן פרופסור גריר כמה דוגמאות בולטות. הדוגמה הראשונה, בלונים מהם נשאבת הליום, אך בו זמנית שומרים על צורתם. המטוס השני, העתידי, שעיצובו שוקל לא פחות מהדגם הידני שלו. באופן המפתיע ביותר, אם גשר שער הזהב המפורסם היה עשוי מסוכריות ננול כאלה, ניתן היה להניח את כל החומרים הדרושים לבנייתו (למעט אוויר) על כף יד אנושית.
בדיוק כמו היתרונות המבניים העצומים של חומרים קשים, קלים ועמידים בחום המתאימים לאינספור יישומים צבאיים, תכונותיהם החשמליות שנקבעו מראש עלולות לחולל מהפכה באחסון וייצור האנרגיה: "מבני ננו אלה הם קלים מאוד, יציבים מכנית ויחד עם זאת ענקיים. גודל. משטחים, כלומר אנו יכולים להשתמש במגוון יישומים מהסוג האלקטרוכימי ".
אלה כוללים אלקטרודות יעילות במיוחד לסוללות ולתאי דלק, הן מהוות יעד מוקיר לאספקת חשמל אוטונומית, תחנות כוח ניידות והובלות, כמו גם פריצת דרך של ממש בטכנולוגיית תאים סולאריים.
"ניתן למנות קריסטלים פוטוניים גם בהקשר זה", אמר גריר. "מבנים אלה מאפשרים לך לתפעל את האור בצורה כזו שתוכל ללכוד אותו לחלוטין, מה שאומר שאתה יכול לייצר תאים סולאריים יעילים בהרבה - אתה לוכד את כל האור ואין לך אובדן השתקפות."
"כל זה מצביע על כך שהשילוב של אפקט הגודל בננו -חומרים ואלמנטים מבניים מאפשר לנו ליצור סוגים חדשים של חומרים בעלי מאפיינים שלא היו ניתנים להשגה", אמר פרופסור גריר בארגון האירופי למחקר גרעיני בשוויץ. "האתגר הגדול ביותר שעומד בפנינו הוא כיצד להרחיק את הגדילה ולעבור מננו לגודל העולם שלנו".
הגנה קרמית שקופה תעשייתית
IBD Deisenroth Engineering פיתחה שריון קרמיקה שקוף בעל ביצועים בליסטיים הדומים לשריון קרמיקה אטום. שריון שקוף חדש זה בהיר בכ -70% מזכוכית משוריינת וניתן להרכיבו למבנים בעלי אותם מאפיינים מרובי השפעות (יכולת עמידה במספר פגיעות) כשריון אטום. זה מאפשר לא רק להפחית באופן דרמטי את מסת הרכבים עם חלונות גדולים, אלא גם לסגור את כל הפערים הבליסטיים.
כדי לקבל הגנה בהתאם לרמה 3 של STANAG 4569, הזכוכית חסינת הכדורים יש צפיפות משטח של כ -200 ק"ג / מ"ר. עם שטח חלון טיפוסי של משאית בגודל שלושה מטרים רבועים, מסת המשקפיים העמידה לכדורים תהיה 600 ק"ג. בעת החלפת כוסות כאלה לקרמיקה של IBD, הפחתת המשקל תהיה יותר מ -400 ק"ג. קרמיקה שקופה מ IBD היא פיתוח נוסף של קרמיקה IBD NANOTech. IBD הצליחה לפתח תהליכי הדבקה מיוחדים המשמשים להרכבת אריחי קרמיקה ("שריון שקוף פסיפס") ולאחר מכן לרבד מכלולים אלה לשכבות מבניות חזקות ליצירת לוחות חלון גדולים. בשל המאפיינים הבולטים של חומר קרמי זה, ניתן לייצר לוחות שריון שקופים עם משקל נמוך משמעותית. הגיבוי, בשילוב עם הלמינציה הטבעית NANO-Fiber, משפר עוד יותר את הביצועים הבליסטיים של ההגנה השקופה החדשה בשל ספיגת האנרגיה הגדולה יותר.
חברת OSG הישראלית (אורן בטיחות זכוכית), המגיבה לרמות גוברות של חוסר יציבות ומתח ברחבי העולם, פיתחה מגוון רחב של מוצרי זכוכית חסיני כדורים. הם מיועדים במיוחד למגזר הביטחון והאזרחי, לצבא, לצבא, לעיסוקים אזרחיים בסיכון גבוה, לתעשיית הבנייה ותעשיות הרכב. החברה מקדמת את הטכנולוגיות הבאות לשוק: פתרונות הגנה שקופים, פתרונות הגנה בליסטיים, מערכות אבזור שקופות מתקדמות נוספות, חלונות ויזואליים דיגיטליים, חלונות יציאת חירום, חלונות קרמיקה עם טכנולוגיית תצוגה צבעונית, מערכות נורות חיווי משולבות, אבני מגן זכוכית עמידות בפני זעזועים., ולבסוף, טכנולוגיית ADI נגד סדקים.
חומרים שקופים של OSG נבדקים כל הזמן במצבי חיים אמיתיים: דוחה התקפות פיזיות ובליסטיות, הצלת חיים והגנה על רכוש. כל החומרים השקופים המשוריינים נוצרו בהתאם לסטנדרטים בינלאומיים מרכזיים.
