Kugelsichere Keramikserie – Vergleich der wichtigsten keramischen Materialien für den Kugelschutz
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. Kugelsichere Aluminiumoxidkeramik hat im Vergleich zu den anderen beiden eine geringe Härte (HRA90) und eine hohe Dichte, ist aber billiger. Kugelsichere Siliziumkarbid-Keramik hat die höchste Härte und beste Leistung unter den drei Materialien, ist aber auch weitaus teurer als die beiden anderen Materialien. Die Härte von kugelsicherer Siliziumkarbid-Keramik kann HRA92 erreichen, und die Dichte beträgt nur 82% der von kugelsicheren Aluminiumoxid-Platten, bei einem moderaten Preis und einer breiteren Anwendung.
Aluminiumoxid-Keramiken sind eine Reihe von keramischen Werkstoffen auf Basis von Hochtemperatur-Aluminiumoxid (α-Al2O3) als Hauptkristallphase, und α-Al2O3 ist die weltweit einzige natürlich vorkommende Variante von Al2O3. Es hat unter allen Varianten die kompakteste Struktur, die geringste Reaktivität und die besten elektrochemischen Eigenschaften und kann bei allen Temperaturen stabil bleiben.
Eigenschaften von Aluminiumoxidkeramik
| Al2O3-Eigenschaft | Sintern |
| 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 keramisches Material der ersten Generation im kugelsicheren Bereich ist Aluminiumoxid nicht nur das stärkste und härteste aller Oxide, sondern hat auch eine gute Oxidationsbeständigkeit, chemische Trägheit, niedrige Kosten und ist leicht erhältlich. Darüber hinaus werden gesinterte Produkte aufgrund ihrer glatten Oberfläche, stabilen Größe und ihres niedrigen Preises häufig in verschiedenen gepanzerten Fahrzeugen und kugelsicherer Militär- und Polizeikleidung verwendet.
Nachteile: Geringe Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit sowie geringe Temperaturwechselbeständigkeit. Darüber hinaus variiert die Leistung von Aluminiumoxid stark, hauptsächlich in Abhängigkeit von Prozessparametern, Gehalt an Verunreinigungen, Partikelgröße und Sintertemperatur. Gleichzeitig kann die hohe Dichte von Aluminiumoxid dem Trend zu leichten Panzerungen nicht gerecht werden.
SiC hat eine einzigartige Kristallstruktur. Unter Verwendung eines der vier Kohlenstoffatome als Zentrum und Siliziumatome als gepaarte Atome wird eines der vier äußersten Elektronen ausgewählt, um sich mit dem äußersten Elektron des zentralen Kohlenstoffatoms zu paaren. Durch den zyklischen Betrieb ist die endgültige Struktur äquivalent zu der aus Si-C-Bindungen zusammengesetzten Diamant-Tetraederstruktur, 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 Sinterprozessen
| SIC-Eigenschaft | Heißpresssintern | Heißisostatisches Pressen | Reaktionssintern | Spark-Plasma-Sintern |
| Dichte (g/cm3) | 3.25-3.28 | 3.01-3.13 | 3.02 | 3.12-3.20 |
| Biegefestigkeit (Mpa) | 500-730 | 366-950 | 260 | 420-850 |
| Elastizitätsmodul (Gpa) | 440-450 | - | 359 | 420-460 |
| Bruchzähigkeit (Mpa.m1/2） | 5,0-5,5 | 4,51-5,79 | 4.00 | 3,4-7,0 |
| Härte (Gpa) | 20 | 10.5-20.0 | 17.23 | 19.8-32.7 |
Vorteile: Es ist das am weitesten verbreitete nichtoxidische Keramikmaterial mit hoher Härte, das nur von Diamant, kubischem Bornitrid und Borcarbid übertroffen wird. Aufgrund ihrer geringen Dichte und hohen Härte eignet sich diese Keramik sehr gut zballistischer Schutz, und liegt in Bezug auf mechanische Eigenschaften, Dichteeigenschaften, ballistische Eigenschaften und Anwendungskosten in der Zwischenzone zwischen Aluminiumoxid und Borcarbid.
Nachteile: Die molekulare Struktur und Eigenschaften von Siliziumkarbid bestimmen seine geringere Zähigkeit. Wenn es von einer Kugel getroffen wird, kann seine ultrahohe Festigkeit der enormen kinetischen Energie der Kugel vollständig widerstehen und die Kugel sofort zerbrechen, aber es wird im Moment des Aufpralls auch brechen oder sogar in Stücke brechen, wodurch die Siliziumkarbid-Keramikplatte entsteht nur für bestimmte Bereiche des Beschussschutzes geeignet. Viele Forscher auf dem Gebiet der Materialmolekularwissenschaften behaupten jedoch derzeit, dass die geringe Zähigkeit von Siliziumkarbid theoretisch kompensiert und überwunden werden kann, indem der Sinterprozess und die Herstellung der Keramikfaser kontrolliert werden. Dadurch wird das Anwendungsspektrum von Siliziumkarbid im Bereich der Beschusssicherung erheblich erweitert und es zu einem idealen Werkstoff für die Herstellung von kugelsicheren Ausrüstungen.
3. Borcarbid Keramik
Der Borcarbidkristall gehört zum rhomboedrischen Strukturtyp. In ihrer rhomboedrischen Struktur enthält jede Einheitszelle 15 Atome, von denen 12 Atome (B11C) ein Ikosaeder bilden und eine räumliche Struktur bilden, während die restlichen drei Atome sich zu einer CBC-Kette verbinden. 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-Eigenschaft | Heißpresssintern | Heißisostatisches Pressen | Reaktionssintern | Spark-Plasma-Sintern |
| Dichte (g/cm3) | 2,45-2,52 | 2,42-2,51 | 2,48-2,54 | 2,43-2,60 |
| Biegefestigkeit (Mpa) | 200-500 | 365-627 | 235-321 | 607-627 |
| Elastizitätsmodul (Gpa) | 440-460 | 393-444 | 330-426 | 403-590 |
| Bruchzähigkeit (Mpa.m1/2） | 2,0-4,7 | 2.4-3.3 | 4.1-4.4 | 2.8-5.8 |
| Härte (Gpa) | 29-35 | 25-31 | 13.4-18.0 | 30.5-38.3 |
Vorteile: Nahezu konstante Warmhärte und gute mechanische Eigenschaften. Gleichzeitig ist seine Dichte die niedrigste unter mehreren häufig verwendeten Panzerungskeramiken, und sein hoher Elastizitätsmodul macht es zu einer guten Wahl für militärische Panzerungs- und Weltraummaterialien.
Nachteile: Aufgrund der hochkovalenten Natur der kovalenten Bindungen zwischen Bor- und Kohlenstoffatomen ist seine Sinterung schlecht. Daher ist es notwendig, hohe Sintertemperaturen sehr nahe am Schmelzpunkt des Materials zu verwenden. Diese hohen Temperaturen führen zu Restporen und anschließendem Kornabstand, die die Eigenschaften und Leistung des Materials verschlechtern. Daher wird üblicherweise Heißpressen oder heißisostatisches Pressen verwendet, was zu höheren Herstellungskosten führt.
