Ceramiczna zbroja

Pancerz ceramiczny to zbroja używana przez pojazdy opancerzone i zbroje osobiste w celu przeciwdziałania penetracji pocisków dzięki wysokiej twardości i wytrzymałości na ściskanie. W swojej najbardziej podstawowej formie składa się z dwóch głównych elementów: ceramicznej warstwy na zewnętrznej powierzchni, zwanej „powierzchnią uderzenia”, wspartej kompozytem z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem ciągliwym lub warstwą metalu. Rolą ceramiki jest (1) pęknięcie pocisku lub odkształcenie dzioba pocisku po uderzeniu, (2) erozja i spowolnienie pozostałości pocisku podczas penetracji rozbitej warstwy ceramicznej oraz (3) rozłożenie siły uderzenia na większą obszar, który może zostać wchłonięty przez plastyczny polimer lub metalowe podłoże. Ceramika jest często stosowana tam, gdzie ważna jest niewielka waga, ponieważ waży ona mniej niż stopy metali przy danym stopniu odporności. Najpopularniejszymi materiałami są tlenek glinu , węglik boru i, w mniejszym stopniu, węglik krzemu .

Historia

Testy już w 1918 roku wykazały potencjał pancerza ceramicznego; Major Neville Monroe-Hopkins odkrył, że dodanie cienkiej warstwy emalii do stali znacznie poprawiło jej właściwości balistyczne. Jego pierwsze użycie operacyjne miało miejsce dopiero podczas wojny w Wietnamie, podczas której helikoptery często trafiały pod ostrzał z broni strzeleckiej. W 1965 roku załogom helikopterów wręczono ceramiczne kamizelki kuloodporne, a do siedzeń pilotów dodano zestawy opancerzenia z „twardego kompozytu”. W następnym roku wdrożono monolityczne kamizelki ceramiczne i panele pancerza montowane na płatowcu. w „Huey” te ulepszenia zmniejszyły liczbę ofiar śmiertelnych o 53%, a obrażeń innych niż śmiertelne o 27%.

Projekt

Konstrukcje pancerzy ceramicznych sięgają od płyt monolitycznych po systemy wykorzystujące trójwymiarowe matryce. Jeden z pierwszych patentów pancerza ceramicznego został złożony w 1967 roku przez firmę Goodyear Aerospace Corp. Polegał on na osadzeniu ceramicznych kulek z tlenku glinu w cienkich blachach aluminiowych, które zostały ułożone warstwami tak, aby kule każdej warstwy wypełniały szczeliny między kulkami otaczających warstw, w sposób podobny do sześciennej struktury upakowania centrowanej na ciele . Cały system utrzymywano razem za pomocą pianki poliuretanowej i grubego aluminium, wielowarstwowego UHMWPE, włókna para-aramidowego lub 30% PALF + 70% podkładu z kompozytu epoksydowego. Rozwój ten wykazał skuteczność projektowania opartego na macierzach i pobudził rozwój innych systemów opartych na macierzach. Większość z nich łączy cylindryczne, sześciokątne lub kuliste elementy ceramiczne z podkładem z jakiegoś stopu nie przeznaczonego do pancerza. Z kolei monolityczna zbroja płytowa opiera się na pojedynczych płytach zaawansowanej ceramiki wsuwanych do tradycyjnej kamizelki balistycznej zamiast stalowej płyty.

Mechanizm

W przeciwieństwie do metali, ceramika nigdy nie jest używana samodzielnie, jako samodzielny materiał w systemach opancerzenia; są one zawsze łączone z ciągliwym podłożem lub warstwą nośną z z tworzywa sztucznego wzmocnionego metalem lub włóknem , a ten zespół z ceramiczną powierzchnią czołową nazywany jest pancerzem ceramicznym. Materiały ceramiczne, takie jak szkło , mają wysoką twardość i wytrzymałość na ściskanie, ale niską wytrzymałość na rozciąganie. Klejenie płytki ceramicznej do metalowego lub kompozytowego materiału podkładowego, o wysokiej wytrzymałości i dobrej plastyczności, opóźnia lub łagodzi rozerwanie przy uderzeniu i powoduje uszkodzenie ceramiki przy ściskaniu.

Ceramiczne systemy pancerza pokonują pociski z broni strzeleckiej i penetratory energii kinetycznej za pomocą dwóch głównych mechanizmów: rozbijania i erozji. Kiedy pocisk z twardej stali lub węglika wolframu uderza w warstwę ceramiczną ceramicznego systemu pancerza, zostaje on na chwilę zatrzymany w zjawisku zwanym zatrzymaniem. W zależności od grubości i twardości warstwy ceramicznej rdzeń pocisku jest następnie rozbijany, pęknięty lub stępiony. Resztki pocisku nadal penetrują rozdrobnioną płytkę ceramiczną ze zmniejszoną prędkością, co powoduje erozję tych pozostałości i zmniejsza ich energię, długość i masę. Warstwa kompozytu z tworzywa sztucznego wzmocnionego metalem lub włóknem za warstwą ceramiczną zatrzymuje następnie fragmenty pocisku lub jego zerodowaną pozostałość i pochłania resztkową energię kinetyczną, zwykle poprzez odkształcenie plastyczne . Jeśli materiał podkładowy jest zbyt cienki lub zbyt słaby, aby wchłonąć resztkową energię kinetyczną - lub jeśli pocisk nie pęka, a zerodowana pozostałość pocisku zachowuje zbyt dużo swojej masy i energii kinetycznej - nastąpi penetracja. Dlatego zarówno warstwa ceramiczna, jak i jej warstwa spodnia mają takie samo znaczenie.

W ceramicznym pancerzu samochodowym materiałem podkładowym jest najczęściej stal konstrukcyjna, często walcowany jednorodny pancerz , chociaż czasami stosuje się aluminium. W kamizelkach kuloodpornych, gdzie projektanci pancerzy ceramicznych dążą do tego, aby ceramiczne płyty pancerza były jak najlżejsze i jak najwygodniejsze, materiałem podkładowym jest zazwyczaj lekki kompozyt z włókien polietylenowych o ultra wysokiej masie cząsteczkowej , ale może to być również kompozyt z włókien aramidowych — i , w tanich ceramicznych płytach pancernych lub płytach dla użytkowników stacjonarnych, takich jak załogi helikopterów, czasami stosuje się włókno szklane .

W przypadku pocisków przeciwpancernych odłamkowo-burzących elementy ceramiczne rozbijają geometrię strumienia metalu generowanego przez ładunek kumulacyjny, znacznie zmniejszając penetrację.

Aplikacje

Personel

Ceramiczne płyty pancerza

Płytki ceramiczne są powszechnie stosowane jako wkłady w miękkich kamizelkach balistycznych . Większość płytek ceramicznych stosowanych w kamizelkach kuloodpornych zapewnia ochronę typu III według National Institute of Justice , umożliwiając im zatrzymanie pocisków karabinowych . Płyty ceramiczne są formą pancerza kompozytowego . Płyty wkładane mogą być również wykonane ze stali lub polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej .

Płyta ceramiczna jest zwykle wsuwana w zewnętrzną warstwę miękkiej kamizelki pancernej. Mogą być dwie płyty, jedna z przodu i jedna z tyłu, lub jedna uniwersalna płyta z przodu lub z tyłu. Niektóre kamizelki pozwalają na użycie małych płyt po bokach dla dodatkowej ochrony.

Płytki ceramiczne wydawane przez wojsko Stanów Zjednoczonych noszą nazwę Enhanced Small Arms Protective Inserts (ESAPI).

Przybliżona waga jednej ceramicznej płyty pancerza NIJ poziomu III wynosi od 4,4 do 8 funtów (2–3,6 kg) dla typowego rozmiaru 10 cali na 12 cali. Istnieją inne rodzaje płyt, które są dostępne w różnych rozmiarach i oferują różne poziomy ochrony. Na przykład płyta MC (płyta o maksymalnym pokryciu) zapewnia o 19% większe pokrycie niż standardowa płyta ceramiczna.

Materiały ceramiczne, obróbka materiałów oraz postęp w mechanice penetracji ceramiki to istotne obszary aktywności akademickiej i przemysłowej. Ta połączona dziedzina badań zbroi ceramicznej jest szeroka i być może najlepiej podsumowana przez The American Ceramics Society. ACerS od wielu lat prowadzi doroczną konferencję na temat zbroi i przygotowuje materiały z lat 2004–2007. Obszarem szczególnej aktywności kamizelek jest pojawiające się zastosowanie drobnych elementów ceramicznych. Duże płytki ceramiczne wielkości tułowia są skomplikowane w produkcji i mogą pękać podczas użytkowania. Płyty monolityczne mają również ograniczoną zdolność do wielokrotnego trafienia ze względu na dużą strefę pęknięcia uderzenia. To są motywacje dla nowych typów płyt pancernych. Te nowe projekty wykorzystują dwu- i trójwymiarowe układy elementów ceramicznych, które mogą być sztywne, elastyczne lub półelastyczne. Pancerz Dragon Skin jest jednym z tych systemów, chociaż nie przeszedł wielu testów przeprowadzonych przez armię amerykańską i został odrzucony. Europejski rozwój sferycznych i sześciokątnych matryc zaowocował produktami, które mają pewną elastyczność i wydajność wielu uderzeń. Aktywnym obszarem badań jest produkcja systemów typu macierzowego o elastycznych, stałych właściwościach balistycznych na krawędziach elementów ceramicznych. Ponadto zaawansowane techniki obróbki ceramiki wymagają zastosowania klejowych metod montażu. Jednym z nowatorskich podejść jest użycie zapięć na rzepy do montażu układów ceramicznych.