Seramik zırh

Seramik zırhlar, patlama parçalarının tutulması ve mermilerin nüfuz etmesini engellemek için kullanılır. Hafiflik avantajı ile birlikte yüksek sertlik ve basınç dayanımı ile mermi direnci için geliştirilmişlerdir. Seramik zırh, zırhlı araçlarda ve kişisel zırhlarda kullanılmaktadır.

Seramikler, belirli bir direnç derecesi için metal alaşımlarından daha az ağırlığa sahip olduklarından, genellikle hafifliğin önemli olduğu yerlerde kullanılır. Seramikler aynı zamanda darbe enerjisi emiliminde tüm metallere göre bir avantaj sunar. Seramik zırh kullanımı, zırh kütlesini azaltarak, askeri teçhizatın nihai maliyetini artırarak zırhlı araçların şasisindeki (Motorlu kara taşıtlarının iskelet bölümü) yükte bir artış elde etmeyi mümkün kılar. Ordu tarafından da kullanılmak üzere daha hafif koruma malzemelerine duyulan ihtiyaç, seramik zırh malzemelerinin kullanılmasına sebep olmuştur. Seramik zırhların dezavantajları, zırh çeliğine kıyasla yüksek maliyeti olarak kabul edilmektedir.

Seramik zırhın ilk belgelenmiş kullanımı, ağır araç zırhı içindir ve 1. Dünya Savaşı'nda kullanılmıştır. Araç zırhı olarak kullanımı, seramik vücut zırhının ilk kez kullanılmasından yaklaşık yarım asır öncedir. Alman ordusu tarafından 1. Dünya Savaşı sırasında tank zırhı üzerindeki sert yüzeyli emaye kaplamaların balistik performansı artırdığının keşfedildi. Bu, keşif çok önemliydi ancak teknoloji uzun bir süre bunun ötesine geçmedi; aslında yarım yüzyıldan fazla bir süre sonra gelişmiş seramik tank zırhı geliştirilecekti.

Seramik zırh tasarımları, monolitik plakalardan üç boyutlu matrisler kullanan sistemlere kadar çeşitlilik gösterir. Seramik zırhın ilk patentlerinden biri 1967'de Goodyear Aerospace Corp tarafından dosyalanmıştır. Alümina seramik küreleri, her katmanın küreleri çevreleyen katmanların küreleri arasındaki boşlukları dolduracak şekilde katmanlanan ince alüminyum levhalara yerleştirilmiştir. Vücut merkezli kübik paketleme yapısına benzer bir şekilde tasarlanmıştır. Tüm sistem, poliüretan köpük ve kalın bir alüminyum destek ile bir arada tutulmuştur. Bu gelişme, matris tabanlı tasarımın etkinliğini gösterdi ve diğer matris tabanlı sistemlerin geliştirilmesini teşvik etmiştir. Bunların çoğu, silindirik, altıgen veya küresel seramik elemanları, zırha özel olmayan bazı alaşımların desteğiyle birleştirilir. Monolitik plaka zırh, aksine, bir çelik plaka yerine geleneksel bir balistik yeleğe kaydırılmış gelişmiş bir seramikten tek plakalara dayanır.

Seramik zırh sistemleri performans, ağırlık, uygulama ve üretim kabiliyeti gereksinimlerine göre tasarlanmaktadır. Zırh sistemi bileşenlerinin özellikleri, sistem tasarımı değerlendirmesinde gerekli faktörlerdir. Zırh parçalanma mekanizmasının daha iyi anlaşılması gerekliliği nedeniyle son on yılda farklı seramik zırh malzemelerinin balistik performans incelemeleri yapılmıştır. Çalışmaların çoğu ya modelleme koşulları ve mermiler ya da gerçek tehditler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Arkalık malzemelerinin doğası ve kalınlığı, stresi azaltma yeteneklerinden dolayı çatlak ilerlemesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir.

Balistik koruma için yaygın olarak farklı seramik malzemeler kullanılmaktadır. Bunlar bazı oksit seramikleri (çoğunlukla farklı Al2O3 içeriğine sahip alümina seramikleri) ve oksit olmayan seramikleri (çoğunlukla karbürler, nitrürler, borürler ve bunların kombinasyonları) içerir. Yüksek yoğunluğa (3.95 g cm−3'e kadar) rağmen, alümina seramikler, nispeten yüksek fiziksel özellikler ve performans, düşük maliyet ve çeşitli yöntemlerle üretilebilirlik sağladıkları için balistik koruma için yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, kayar döküm, presleme, özel koruyucu atmosfere sahip fırınlar gibi pahalı ekipman kullanmadan enjeksiyon kalıplama gibi. Son zamanlarda geliştirilen daha düşük yoğunluklu alümina-mullit seramikler buna göre ağırlıkta azalma sağlar. Bu malzemeler aynı zamanda ucuzdur ve iyi bir üretim kabiliyetine sahiptir. Karşılaştırıldığında, oksit olmayan yoğun seramikler, örneğin bor karbür (B4C), silisyum karbür (SiC), silikon nitrür (Si3N4), alüminyum nitrür (AlN) ve diğerleri (titanyum diborid bazlı seramikler hariç) ikili sistemleri (örn. B4C–SiC, SiC–Si3N4) 2,5–3,3 g cm−3 aralığında düşük yoğunluklara sahiptir (balistik koruma sistemleri için önemlidir). Bu malzemeler yüksek mekanik özelliklere sahiptir, örn. sertlik, Young modülü, güç. Bununla birlikte, çoğu durumda, bu seramikler pahalı ve çok üretken olmayan sıcak presleme ile üretilir. Ticari olarak üretilen SiC seramikler gibi basınçsız sinterlenmiş malzemeler, sıcak preslenmiş malzemelerden daha ucuzdur. Ancak imalatları özel kontrollü atmosferlere ve sinterleme için çok yüksek sıcaklıklara sahip fırınlar gerektirdiğinden hala nispeten pahalıdır. Reaksiyona bağlı silisyum karbür (RBSC) ve bor karbür (RBBC) ve diğer bazı reaksiyona bağlı karbür bazlı seramikler, nispeten düşük maliyetleri, yüksek fiziksel özellikleri ve nispeten büyük boyutlu üretim yetenekleri nedeniyle zırh uygulamalarında da yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu reaksiyona bağlı malzemeler, aynı zamanda, yoğun homojen karbür bazlı seramiklerden çok darbeli durumlar için daha iyi bütünlük gösterir.

Sert seramik malzemeler, kinetik enerjili mermiyi parçalara ayırarak yener ve delinme kabiliyetini azaltır. Yüksek patlayıcılı tanksavar mermilerine karşı, seramik elemanlar, şekillendirilmiş şarj tarafından oluşturulan metal jetin geometrisini kırarak içine girmesini büyük ölçüde azaltır. Her iki durumda da sert fakat kırılgan seramik elemanlar parçalara ayrılır ve bunlar kapatılmazlarsa kendileri tehlikeli olabilmektedir. Bu nedenle, seramik malzemeler normalde metal veya polimer- kompozit malzemelerden oluşan sünek bir destek ile desteklenir. Bu destek yapısı aynı zamanda seramik elemanları yerinde tutar, böylece sadece kenara itilmekle kalmaz, aynı zamanda darbeyi de emer.