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Ceramic Bulletproof Series - Vergleich der wichtigsten Keramikmaterialien für den Kugelschutz

07-04-2023

Die wichtigsten keramischen Materialien, die als kugelsichere Materialien verwendet werden können, sind Aluminiumoxid,Siliziumkarbid, Borcarbid,Siliziumnitridund Titanborid. Unter ihnen werden Aluminiumoxidkeramik (Al2O3), Siliziumkarbidkeramik (SiC) und Borkarbidkeramik (B4C) am häufigsten verwendet. Aluminiumoxid-kugelsichere Keramik hat im Vergleich zu den beiden anderen eine geringe Härte (HRA90) und eine hohe Dichte, ist aber billiger. Siliziumkarbid-kugelsichere Keramik hat von den dreien die höchste Härte und die beste Leistung, ist aber auch viel teurer als die beiden anderen Materialien. Die Härte von Siliziumkarbid-kugelsicherer Keramik kann HRA92 erreichen und die Dichte beträgt nur 82 % der von Aluminiumoxid-kugelsicheren Platten, bei einem moderaten Preis und einer breiteren Anwendung.


1. Aluminiumoxidkeramik

Aluminiumoxidkeramiken sind eine Reihe von Keramikmaterialien, die auf Hochtemperatur-Aluminiumoxid (α-Al2O3) als Hauptkristallphase basieren. α-Al2O3 ist die einzige Variante von Al2O3, die natürlicherweise auf der Welt vorkommt. Es hat von allen Varianten die kompakteste Struktur, die geringste Reaktivität und die besten elektrochemischen Eigenschaften und kann bei allen Temperaturen stabil bleiben.


Eigenschaften von Aluminiumoxidkeramik


Al2O3 -EigenschaftSintern
Dichte (g/cm3)3,6-3,95
Biegefestigkeit (Mpa)200-400
Elastizitätsmodul (Gpa)300-450
Bruchzähigkeit (Mpa.m1/2)3,0–4,5
Härte (Gpa)12-18

                                                                        


Vorteile: Als Keramikmaterial der ersten Generation im Bereich der Kugelsicherheit ist Aluminiumoxid nicht nur das stärkste und härteste aller Oxide, sondern weist auch eine gute Oxidationsbeständigkeit, chemische Inertheit und niedrige Kosten auf und ist leicht zu beschaffen. Darüber hinaus werden gesinterte Produkte aufgrund ihrer glatten Oberfläche, stabilen Größe und ihres niedrigen Preises häufig in verschiedenen gepanzerten Fahrzeugen sowie in kugelsicherer Kleidung von Militär und Polizei verwendet.


Nachteile: Geringe Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit sowie geringe Beständigkeit gegen Thermoschock. Darüber hinaus variiert die Leistung von Aluminiumoxid stark, hauptsächlich abhängig von Prozessparametern, Verunreinigungsgehalt, Partikelgröße und Sintertemperatur. Gleichzeitig kann die hohe Dichte von Aluminiumoxid dem Trend zu leichter Panzerung nicht gerecht werden.


2. Siliziumkarbidkeramik

SiC hat eine einzigartige Kristallstruktur. Unter Verwendung eines der vier Kohlenstoffatome als Zentrum und Siliziumatomen als gepaarte Atome wird eines der vier äußersten Elektronen ausgewählt, um sich mit dem äußersten Elektron des zentralen Kohlenstoffatoms zu paaren. Durch zyklische Operationen entspricht die endgültige Struktur der Diamanttetraederstruktur aus Si-C-Bindungen, die eine extrem hohe Härte aufweist. Gleichzeitig weist diese Struktur starke kovalente Bindungen und eine hohe Si-C-Bindungsenergie auf, wodurch Siliziumkarbidmaterialien die Eigenschaften eines hohen Moduls, einer hohen Härte und einer hohen spezifischen Festigkeit aufweisen.



Eigenschaften von Siliziumkarbidkeramik bei verschiedenen Sinterverfahren


SIC-EigenschaftHeißpresssinternHeißisostatisches PressenReaktionssinternFunkenplasmasintern
Dichte (g/cm3)3,25-3,283.01-3.133.023.12-3.20
Biegefestigkeit (Mpa)500-730366-950260420-850
Elastizitätsmodul (Gpa)440-450-359420-460
Bruchzähigkeit (Mpa.m1/2)5,0-5,54,51-5,794,003,4 bis 7,0
Härte (Gpa)2010,5–20,017.2319,8 – 32,7


Vorteile: Es ist das am weitesten verbreitete nichtoxidische Keramikmaterial mit hoher Härte, das nach Diamant, kubischem Nitridbor und Borcarbid an zweiter Stelle steht. Aufgrund seiner geringen Dichte und hohen Härte eignet sich diese Keramik sehr gut fürBallistischer Schutz, und liegt hinsichtlich mechanischer Eigenschaften, Dichteeigenschaften, ballistischer Eigenschaften und Anwendungskosten im Zwischenbereich zwischen Aluminiumoxid und Borcarbid.



Nachteile: Die molekulare Struktur und die Eigenschaften von Siliziumkarbid bestimmen seine geringere Zähigkeit. Bei einem Aufprall durch eine Kugel kann seine ultrahohe Festigkeit der enormen kinetischen Energie der Kugel vollständig widerstehen und die Kugel sofort zerschmettern, aber sie wird im Moment des Aufpralls auch reißen oder sogar in Stücke zerbrechen, wodurch die Siliziumkarbid-Keramikplatte nur für bestimmte Bereiche des Kugelschutzes geeignet ist. Viele Forscher auf dem Gebiet der Materialmolekularwissenschaften behaupten jedoch derzeit, dass die geringe Zähigkeit von Siliziumkarbid theoretisch durch die Kontrolle des Sinterprozesses und der Herstellung von Keramikfasern ausgeglichen und überwunden werden kann. Dies wird den Anwendungsbereich von Siliziumkarbid im Bereich der Kugelsicherung erheblich erweitern und es zu einem idealen Material für die Herstellung kugelsicherer Geräte machen.


3. Borcarbid Keramik

Der Borcarbidkristall gehört zum rhomboedrischen Strukturtyp. In seiner rhomboedrischen Struktur enthält jede Elementarzelle 15 Atome, von denen 12 Atome (B11C) ein Ikosaeder bilden und eine räumliche Struktur bilden, während die verbleibenden drei Atome eine CBC-Kette bilden. Das Ikosaeder ist durch kovalente Bindungen mit der CBC-Kette verbunden, um eine relativ stabile Struktur zu bilden. Gleichzeitig haben seine Bestandteile Kohlenstoff und Bor sehr ähnliche Eigenschaften und Atomradien, was dazu führt, dass B4C einige hervorragende Eigenschaften aufweist, die andere nichtoxidische Keramiken nicht haben.


Eigenschaften von Borcarbid bei verschiedenen Sinterprozessen


B4C-ImmobilienHeißpresssinternHeißisostatisches PressenReaktionssinternFunkenplasmasintern
Dichte (g/cm3)2,45-2,522,42-2,512,48-2,542,43-2,60
Biegefestigkeit (Mpa)200-500365-627235-321607-627
Elastizitätsmodul (Gpa)440-460393-444330-426403-590
Bruchzähigkeit (Mpa.m1/2)2,0 bis 4,72,4-3,34.1-4.42,8 bis 5,8
Härte (Gpa)29-3525-3113,4-18,030,5-38,3


Vorteile: Nahezu konstante Härte bei hohen Temperaturen und gute mechanische Eigenschaften. Gleichzeitig ist seine Dichte die niedrigste unter mehreren häufig verwendeten Panzerkeramiken und sein hoher Elastizitätsmodul macht es zu einer guten Wahl für militärische Panzerungen und Weltraummaterialien.

 

Nachteile: Aufgrund der stark kovalenten Natur der kovalenten Bindungen zwischen Bor- und Kohlenstoffatomen ist das Sintern schlecht. Daher müssen hohe Sintertemperaturen verwendet werden, die sehr nahe am Schmelzpunkt des Materials liegen. Diese hohen Temperaturen führen zu Restporen und daraus resultierenden Kornabständen, die die Eigenschaften und Leistung des Materials verschlechtern. Daher wird üblicherweise Heißpressen oder heißisostatisches Pressen verwendet, was zu höheren Herstellungskosten führt.


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