Поможет вам понять, почему керамика стала новым пуленепробиваемым материалом.
В представлении людей керамика хрупкая. От лёгкого падения бесценный старинный фарфор может мгновенно разлететься на куски. Но знаете ли вы, что благодаря современным технологиям керамика преобразилась и благодаря своим физическим свойствам может даже служить пуленепробиваемым материалом, заслужив репутацию восходящей звезды в области пуленепробиваемости?
Представьте себе: на поле боя крошечная пуля может нанести смертельный урон солдату, а хрупкая керамика способна остановить летящую на большой скорости пулю. Откуда же берётся её сссссссссссссссссссс? Давайте окунёмся в мир пуленепробиваемой керамики и узнаем.
☛ Высокая твердость, композитное соединение
Пуленепробиваемая керамика относится к классу неорганических неметаллических материалов. Строго говоря, это не тот же тип материала, что и фарфор, используемый в нашей повседневной жизни. Будучи особым видом керамики, в отличие от керамической посуды, которая изготавливается путём формования заготовок из местной глины с последующим обжигом, пуленепробиваемая керамика требует ряда сложных процессов изготовления, включая подготовку порошка, формовку, высокотемпературное спекание и т. д. Она является результатом стремительного развития современных технологий, таких как химия, металлургия и материаловедение.
Причина, по которой пуленепробиваемая керамика способна останавливать пули, заключается в её чрезвычайно высокой твёрдости и прочности. При попадании пули в высокопрочную и высокотвёрдую керамику она разрушается, вызывая её разрушение. На весь этот процесс уходит большая часть энергии пули, и в точке удара образуется конус повреждения в форме перевёрнутой пирамиды. Это также типичная морфология повреждения керамики после попадания пули.
Для повышения устойчивости керамики к многократным ударам на керамическую панель часто наносят покрытие из высокопрочных волокнистых тканей, предотвращающее распространение трещин, вызванных попаданиями пуль. Сочетание высокопрочной и твёрдой керамики с жёсткой основой образует основу современной керамической композитной брони.
☛ Крещёный войной, щит жизни
В 1960-х годах американские военные вертолёты и члены их экипажей во вьетнамских джунглях часто подвергались атакам и ранениям с использованием лёгкого наземного оружия. Чтобы уменьшить повреждения техники в бою и потери среди экипажей, в 1962 году американская аэрокосмическая компания разработала первую композитную броню с твёрдой керамической передней частью. Блоки алюмооксидной керамики были приклеены к прочной алюминиевой задней пластине толщиной около 6 миллиметров, что обеспечивало защиту от 7,62-миллиметровых бронебойных пуль. Именно в этот период армия США стала пионером в широкомасштабном применении пуленепробиваемой керамики в военных целях.
Чтобы повысить защитные свойства, ученые придумали идею создания вставных пластин из пуленепробиваемой керамики для использования в сочетании с мягкой броней, подобно зеркалам, защищающим сердце, на древних доспехах. Таким образом, можно значительно улучшить защиту основных частей тела человека, учитывая при этом подвижность носителя. Изначально небольшие керамические пластины соединялись вместе, образуя вставные пластины. С развитием технологий люди все чаще используют цельные куски керамики, чтобы устранить слабые места, вызванные зазорами между небольшими керамическими пластинами. Некоторые из них даже изготавливаются с изогнутыми поверхностями, чтобы соответствовать человеческому телу. Это также основной стиль современных пуленепробиваемых вставных пластин. В настоящее время технология изготовления пуленепробиваемой керамики становится все более зрелой, становясь щитом жизни для защиты солдат.
☛ Технологии расширяют возможности и позволяют проводить дальнейшие усовершенствования
После десятилетий разработок в настоящее время широко используется множество типов пуленепробиваемой керамики, включая оксид алюминия, карбид кремния, карбид бора, нитрид кремния, борид титана и др. Среди них наиболее распространены керамики на основе оксида алюминия, карбида кремния и карбида бора. С модернизацией систем вооружения традиционная однофазная керамика уже не может удовлетворить реальные военные потребности, особенно в связи с постоянно растущими требованиями к пуленепробиваемой экипировке. Поэтому пуленепробиваемая керамика начала развиваться в направлении диверсификации, компаундирования и функционализации.
Функционально-градиентная керамика. Благодаря конструкции микрокомпонентов эксплуатационные характеристики керамики регулярно и непрерывно изменяются. Например, в металлокерамических композитных системах, таких как борид титана с металлическим титаном, а также оксид алюминия, карбид кремния, карбид бора, нитрид кремния с металлическим алюминием, происходит изменение структуры по толщине, что обеспечивает переход пулестойкой керамики от высокой твёрдости на поверхности, обращенной к пуле, к высокой вязкости на тыльной поверхности. Таким образом, она не только отвечает требованиям к пулестойкости брони, но и повышает её способность выдерживать многократные попадания пуль, что обеспечивает значительное преимущество в защите от бронебойных пуль малого и среднего калибра.
Наноструктурированная композиционная керамика. На основе однофазной керамики добавляют субмикронные или нанодисперсные частицы для формирования композиционной керамики. Например, карбид кремния – нитрид кремния – оксид алюминия, карбид бора – карбид кремния и т.д., что позволяет повысить твёрдость, ударную вязкость и прочность керамики в определённом диапазоне. Сообщается, что за рубежом изучаются процессы спекания, связывающие наноразмерные порошки, что позволяет уменьшить размер керамического зерна до нескольких десятков нанометров, тем самым повышая твёрдость и прочность материала. Это одно из основных направлений развития перспективной керамической брони.
Прозрачная керамика. Прозрачная керамика, представленная монокристаллами оксида алюминия (сапфира), оксинитрида алюминия и алюмомагниевой шпинели, обладает высокой прочностью и твёрдостью, а также превосходными оптическими свойствами. Благодаря этому она может заменить пуленепробиваемое стекло и применяется в военной технике, например, в индивидуальных пуленепробиваемых масках, окнах обнаружения ракет, иллюминаторах для наблюдения за транспортными средствами и перископах подводных лодок. Благодаря возможности изготовления крупногабаритных и сложных по форме прозрачных деталей при низкой стоимости, такая керамика была включена военными державами в список ключевых фотофункциональных прозрачных материалов, которые будут разработаны в XXI веке.
В настоящее время керамика чрезвычайно широко используется как в военной, так и в гражданской технике. Можно предсказать, что древняя история копий и щитов продолжит служить сценой захватывающих сражений сильных противников на полях сражений будущего.