עם יישום הטכנולוגיה המתקדמת בלוחמה צבאית, מצבם של אובדן כוח אדם ורכוש הופך מורכב יותר ויותר. לכן, יש לערוך גם מחקר מעמיק ויישום של חומרים חסיני כדורים. שריון קרמי וחומרים מרוכבים מחוזקים בסיבים הם כיווני מחקר ויישום חשובים. ניתנת סקירה של לוחית הקרמיקה המרוכבת החדשה וחומרי הרכיבים המרוכבים חסיני כדורים ארמיד, מתבצעת השוואה בין הפלטה הקרמית המורכבת החדשה ללוחית חסינת הכדורים המסורתית, והמאפיינים שלה וכמה בעיות שעדיין קיימות במחקר וביישום הנוכחי הם מְנוּתָח; מנגנון חסין הכדורים של החומר המרוכב החסין כדורים ארמיד מתבצע. תאר בפירוט והצביע על הגורמים העיקריים המשפיעים על הביצועים של חומרים מרוכבים בליסטיים בארמיד.
01
צלחת קרמיקה מרוכבת חדשה חסינת כדורים
מחקר על שריון קרמי הוא חלק חשוב בפיתוח וביישום של חומרים מרוכבים חסיני כדורים. אפקט ההגנה הבליסטי של שריון קרמי עדיף על זה של פלדת שריון רגילה. נכון לעכשיו, שריון פסיבי ושריון תגובתי הם הנחקרים והמיושמים ביותר. מבחינת מנגנון חסין כדורים, חומר השריון בשריון תגובתי יפיק אנרגיה קינטית לאחר נלהב מהכדור, והאנרגיה הקינטית מגיבה על הקליע, בעוד שריון פסיבי מתנגד לפגיעת הקליע באמצעות מאפיינים משלו. כיום, ארצות הברית, רוסיה ומדינות אחרות השתמשו בקרמיקה ובחומרים מרוכבים לפיתוח מערכות שריון בעלות יעילות משקל טובה יותר, ופיתחו שריון לוח קרמי, שהיה בשימוש נרחב.
1.1 מנגנון חסין כדורים
כאשר כדור פוגע בלוח חסין הכדורים הקרמי המרוכב במהירות גבוהה, עיקרון כוח הפעולה וכוח התגובה משמש כדי לגרום לו להיכנס ללוח חסין הכדורים במהירות גבוהה ואז לקפוץ החוצה במהירות גבוהה עם הכוח ההפוך בפנים, ויוצר בערך חור כדור עגול על פני השטח. הוא משיג את המטרה להרוס רק את פני השטח של הלוח חסין הכדורים מבלי לגרום לנזק קטלני ללוח חסין הכדורים הכולל הכולל, ובכך להשיג איטום כדורים.
1.2 פרמטרי ביצועים של לוחות קרמיקה מרוכבים חדשים חסיני כדורים
המאפיינים העיקריים של חומרים קרמיים מוצגים בטבלה 1.
לחומרים קרמיים יש קשיחות ספציפית גבוהה, חוזק ספציפי גבוה ואינרטיות כימית בסביבות רבות. יחד עם זאת, הצפיפות הנמוכה שלהם, הקשיות הגבוהה וחוזק הלחיצה הגבוה בהשוואה למתכות הופכים אותם לשימוש נרחב יותר. לאלומיניום בטוהר גבוה יש צפיפות גבוהה יותר, קשיות נמוכה יותר וקשיחות שבר, כך שההתנגדות האלסטית שלו נמוכה יותר; המבנה של קרמיקה סיליקון קרביד גורם לה חוזק גבוה, קשיות גבוהה, עמידות בפני שחיקה, עמידות בפני קורוזיה, מוליכות תרמית גבוהה ותכונות אחרות; טיטניום דיבוריד בעל מודול אלסטי גבוה; לבורון קרביד נקודת התכה גבוהה, קשיות מצוינת ותכונות מכניות, והצפיפות שלו היא הנמוכה ביותר מבין מספר חומרים קרמיים נפוצים. בנוסף, מודול האלסטי גבוה, מה שהופך אותו לבחירה אידיאלית עבור שריון צבאי. ובחירה טובה של חומרים בתחום החלל.
המאפיינים העיקריים של חומרים מרוכבים מוצגים בטבלה 2.
בנוסף להיותם בעלי מודולוס מסוים, חומרים מרוכבים חסיני כדורים חייבים גם להיות בעלי התארכות טובה, קשיחות שבר, חוזק ספציפי גבוה ולהיות מסוגלים לשמור על ביצועים טובים בשיעורי מתח. לזכוכית E יש חוזק מתיחה גבוה אך קשיחות ירודה, בעוד שלחומר קוולר יש צפיפות נמוכה, חוזק גבוה, קשיחות טובה, עמידות בטמפרטורות גבוהות, וקל לעיבוד ויצירה. לבורון יש מאפיינים של צפיפות נמוכה, חוזק ספציפי גבוה ומודול אלסטי גבוה.
1.3 מאפיינים של חומרי לוחות קרמיקה מרוכבים חדשים חסיני כדורים
לוחות קרמיקה מרוכבים חדשים בעלי יתרונות שאין דומה להם על פני לוחות חסיני כדורים מסורתיים. ראה טבלה 3 להשוואות ספציפיות.
(1) יכול לעמוד בפגיעות קליעים מרובות.חומר זה יכול לעמוד בפני פגיעה מתמשכת של מספר כדורים על אותו משטח בו-זמנית מבלי שכל כולו ישבר. זה יצור רק חורי כדור עגולים בקירוב על פני השטח מבלי להשפיע על אפקט חסין הכדורים של חלקים אחרים של החומר.
(2) יש לו יכולת עיצוב מבנית טובה.לוחות קרמיקה מרוכבים יכולים לייצר עיוות כיפוף בזוויות מתאימות, ויכולות לחזור לצורתם המקורית לאחר עיוות. ניתן לעצב אותם לחומרים מרוכבים קרמיים חסיני כדורים בצורות שונות כגון משטחים שטוחים, מעוקלים ומשופעים.
(3) ניתן לתיקון ושימוש חוזר.לאחר פגיעת כדור, ניתן למלא את חורי הקליע המעגליים על פני השטח בגופים חסיני כדור קרמי ולשלב אותם מחדש עם דבק חסין כדורים כדי להחזיר את הביצועים של החומר המקורי.
(4) אמינות גבוהה בשימוש.חומר זה משתמש באופן מקיף בתכונות הבליסטיות של לוחות קרמיקה בעלות ביצועים גבוהים, לוחות UHWMPE וצלחות TC4, מה שהופך את ההתנגדות הבליסטית לטובה יותר מזו של חומרים בודדים, ויכול למעשה לחסום מפרטים שונים של אקדחים ופצצות חודרות בקליבר קטן ובינוני.
(5) לטכנולוגיה יש בגרות גבוהה ויכולת עיצוב חזקה.לחומר זה יש כבר תהליך ייצור בוגר למדי וניתן לעצב אותו לפי צרכים אישיים לפי צרכים בפועל כדי לענות על צרכים שונים של חסינות כדורים.
1.4 בעיות עם חומרים מרוכבים עדכניים חסיני כדורים
כיוון שחומרים מרוכבים חסיני כדורים מורכבים ממגוון חומרים, חוסר ההומוגניות, האניזוטרופיה, היחסים המכוננים המורכבים, מנגנוני הכשל המורכבים וקריטריוני החוזק המורכבים של חומרים מרוכבים הם המכניקה העיקרית של חומרים מרוכבים והמבנים שלהם. מאפיינים, ובכך מגדילים את המורכבות והקושי של ניתוח, חישוב, בדיקה ותכנון של חומרים מרוכבים, המבנים שלהם ומנגנוני ההגנה שלהם. עד כה, לחומרים מרוכבים חסיני כדורים עדיין יש את הבעיות הבאות.
(1) ספיגת אנרגיה לא מספקת.האנרגיה הבלתי נספגת של חומרים חסיני כדורים במהלך השימוש תגרום לאובדן כוח אדם ורכוש, וכוח ההרס של הנשק יגדל גם עם שדרוג הנשק. לכן, מחקר ויישום עתידיים צריכים להתמקד בשיפור הביצועים חסיני הכדורים והבטיחות של חומרים בהיבט זה. .
(2) המשקל אינו קל מספיק.המשקל של חומרים מרוכבים חסיני כדורים הוא גורם חשוב אם ניתן לקדם אותם ולהשתמש בהם. לכן, יש להפחית ככל האפשר את המשקל של חומרים מרוכבים חסיני כדורים תוך הבטחת עמידות טובה בפני כדורים.
(3) חיזוק והקשחת סתירות.במיוחד עבור חומרים מרוכבים קרמיים חסיני כדורים, לעתים קרובות קשה להתגבר על סתירה זו. הוספת חומרי התקשות מסוימים לחומרים מרוכבים חסינים בליסטיים עשויה להפחית את חוזק החומר. עם זאת, אם חוזק החומר גדל, הקשיחות של החומר עשויה להיות מופחתת. לכן, נדרשות בדיקות רבות כדי למצוא את החוזק והקשיחות המתאימים ביותר של החומר העמיד בליסטי. .
(4) לגבי התאימות של חומרים מרוכבים, לרבות מאפיינים פיזיים, כימיים, מכניים ומאפיינים חומרים אחרים, חומרים מרוכבים יכולים לשלב מאפיינים שונים כדי לספק הגנה טובה יותר.
בנוסף, ישנן גם בעיות כמו ממשק ומחיר, שלא נפתרו לחלוטין.
02
ארמיד חומר מרוכב חסין כדורים
2.1 מנגנון חסין כדורים
כאשר החומר חסין הכדורים הסיב נתון לאנרגיית השפעה, הוא יימתח ויתעוות. האנרגיה הנספגת בסיב תהפוך לעבודה הנדרשת לעיוותו. העבודה הנדרשת לעיוות המתיחה והשבר שלו היא אנרגיית השבר, הידועה גם כעבודת השבר. , אנרגיית השבר של הסיב קשורה למספר הסיבים המשתתפים בשבר דפורמציה מתיחה. הפרמטר המודד את התכונות האנטי-בליסטיות של סיבים הוא קצב ספיגת האנרגיה של הסיב (אנרגיית שבירה ליחידת מסה של סיבים).
כאשר חומרים חסיני כדורים סיבים נפגעים מפגיעה חיצונית, הלחץ האורכי הנוצר מהפגיעה יתפשט במהירות לכל הכיוונים בחומר הסיבים ויוצר "גל הלם" (כלומר, גל קול). מהירות הקול בחומרים חסיני כדור סיבים תשפיע על פיזור האנרגיה המיידי, הקובע את כמות הסיבים המעורבים בספיגת האנרגיה, ובכך ישפיע על אפקט חסין הכדורים של החומר. לכן, מהירות הקול בסיב היא פרמטר חשוב נוסף המשפיע על הביצועים הבליסטיים של הסיב.
צורות הסיבים בחומרים חסיני כדורים כוללים ישרים ומעוקלים. אם צורת הסיבים של החומר היא ישרה, האנרגיה תתפשט לאורך הכיוון הצירי של הסיב ללא השתקפות, ולכן האנרגיה תתפשט רחוק ומהר; אם צורת הסיב מעוקלת, או הסיב אם יש שברים בסיב, נקודות הכיפוף או השברים בסיב ישקפו חלק מהאנרגיה, ויפחיתו את טווח הדיפוזיה המיידי, והאפקט חסין הכדורים של החומר יקטן גם הוא. . ניתן לראות שהאפקט חסין הכדורים של בד דו מימדי דו מימדי סיבים יהיה טוב יותר מזה של בד אריגה רגיל.
העברת האנרגיה מלווה לרוב במגע בין סיבים בתוך אותה שכבה או בין שכבות. במהלך העברת אנרגיית ההשפעה, השתקפות אנרגיה מתרחשת בתוך הממשקים של כל החומרים, והמצבים מגוונים ומורכבים. לכן, נתיב ההתפשטות היעיל ביותר של אנרגיית ההשפעה הוא דיפוזיה לאורך ציר הסיבים.
2.2 גורמים עיקריים המשפיעים על הביצועים של חומרים מרוכבים מסוג ארמיד חסיני כדורים
הביצועים של חומרים מרוכבים חסיני כדורים מושפעים בעיקר מהמודול והתכולה של החומר המטריצה, מתכונות חומר הסיבים, משיטת האריגה ומהתהליך של הסיב.
2.2.1 השפעת מודול שרף מטריצת על תכונות בליסטיות של חומרים מרוכבים
מכיוון שלשרף מטריצה בעל מודול נמוך יש תכונות שיכוך טובות והוא תורם לספיגת אנרגיה, לרבדים העשויים משרף מטריצה בעל מודול נמוך יש השפעות חסינות כדורים טובות יותר משרף מטריצה בעל מודול גבוה.
2.2.2 השפעת תכולת שרף המטריצה על תכונות בליסטיות של חומרים מרוכבים
לתכולת שרף המטריצה יש השפעה חשובה מאוד על התכונות הבליסטיות של חומרים מרוכבים. הגדלת תכולת נפח הסיבים בחומרים מרוכבים תשפר את התכונות הבליסטיות, אך אם תכולת נפח הסיבים גבוהה מדי, התכונות הבליסטיות יפחתו. מכיוון ששרף המטריצה בחומר המרוכב יכול להעביר לחץ ביחידה המבנית, אך אם תכולת נפח הסיבים גבוהה מדי, תכולת המטריצה בחומר המרוכב תהיה קטנה מדי, וכתוצאה מכך ירידה בביצועי ההתקשרות בין השרף לבין הסיב ובין הסיב לסיב, ובכך משפיעים על שלמות הלמינציה, גם התכונות האלסטיות של החומר המרוכב יפחתו. תכולת נפח הסיבים מתייחסת לאחוז נפח הסיבים בבד לכל נפח הבד, אותו ניתן להמיר לצפיפות שטח. צפיפות השטח היא גורם חשוב במדידת הישימות בפועל של לוחות חסיני כדורים. אם הוא יכול לעמוד בדרישות ההגנה, צפיפות השטח צריכה להיות קטנה ככל האפשר במהלך התכנון והיישום, כך שניתן יהיה להפחית מאוד את העלות והמשקל.
2.2.3 השפעת צפיפות שטח לרבד על ביצועים בליסטיים של לרבד
תהיה נטייה לסיבים להחליק כאשר קליעים חודרים לרבד, וחלק מהסיבים לא יצליחו להפחית את חדירת הקליעים. אם צפיפות השטח תגדל, האנרגיה הנספגת של הלמינציה תגדל, מה שמעיד על כך שההתנגדות הבליסטית שלו עולה עם העלייה בצפיפות השטח. הביצועים הבליסטיים של הלמינציה נטולת הערב טובים יותר מאלו של לרבד האריגה הפשוטה.
2.2.4 השפעת מבנה בד סיבים על תכונות בליסטיות של למינציה
בהשוואה לבדי סאטן ואריגה רגילה, בדים דו מימדיים דו מימדיים הם בעלי דרגת העיבוד הנמוכה ביותר והאובדן הקטן ביותר של חוזק הסיבים. סיבי הבד יהיו מסודרים במקביל בקווים ישרים, עם ערך שימור החוזק הגדול ביותר. מכיוון שאין נקודות חפיפה ישירה בין סיבים, קצב ההתכווצות הוא בעצם אפס, מה שמפחית למעשה את השתקפות גלי המתח ומונע ריכוז מתח בנקודות מקומיות כאשר קליעים פוגעים. לכן, אנרגיית ספיגת הקרע של הבד הדו-ממדי הדו-ממדי גבוהה. מכיוון שמבנה הבד של הבד הדו-ממדי הדו-ממדי רופף, הוא תורם לספיגת אנרגיה, מה שהופך אותו לביצועים הטובים ביותר נגד כדורים.
2.2.5 השפעת מספר שכבות הבד על התכונות הבליסטיות של למינטים
לבדים בצפיפות משטח נמוכה יש תכונות בליסטיות טובות יותר. העמידות הבליסטית של חומרים מרוכבים נקבעת על פי החוטים הקלועים המשמשים לסיבים בחומר, מארג הבד, מספר השכבות בכל שכבה וסידור הסיבים. תחת משקל נתון, ככל שהצמה דקה ומהודקת יותר וככל שיש לחומר יותר שכבות, כך התכונות הבליסטיות של החומר יהיו טובות יותר. כאשר צפיפות פני השטח של החומר הבליסטי קבועה, יש לשקול בדים עם יותר שכבות וצפיפות קטנה יותר של משטח בודד. יחד עם זאת, שיפור הביצועים של הסיב עצמו ישפר גם את העמידות הבליסטית של החומר.
03
יישומים ומגמות פיתוח
לחומרים מרוכבים מתקדמים עמידים בליסטיים יש חוזק ספציפי גבוה, מודולוס ספציפי, עיצוב ורב-גוניות, והם הכרחיים ביישומים צבאיים רבים. הם גורמים בסיסיים בתכנון וטכנולוגיות מפתח להגנה אישית וכלי נשק וחימוש מתקדמים. לכן, עבור ארגון, אם הוא יוכל להיכנס לתחום המחקר והיישום הזה ולהפוך לספק מוסמך של סוג מסוים של מוצר, תהיה לכך משמעות אסטרטגית רבה מבחינת יתרונות חברתיים וכלכליים כאחד.
לחומרים מרוכבים יש ביצועים טובים מכיוון שהם משלבים את היתרונות המתאימים של חומרי חיזוק ומטריצות. הם גם החומרים הצומחים הכי מהר והמבטיחים ביותר נגד כדורים. חומרים חסיני כדורים מתפתחים בהדרגה לגיוון והרכבה, וחומרים עמידים חדשים שונים בעלי קשיות גבוהה וקשיחות גבוהה הופיעו להתמודדות עם בעיות הגנה מורכבות יותר. עם הפיתוח של מערכות שריון קלות משקל ויעילות, היתרונות של קרמיקה חסינת כדורים וחומרים מרוכבים חסיני כדור מחוזקים בסיבים הפכו יותר ויותר בולטים. לוחות מרוכבים קרמיים חסיני כדורים חדשים הם בעלי יתרונות שאין דומה להם ללוחות חסיני כדורים מסורתיים, אך לא ניתן להתעלם מהבעיות הקיימות, ולכן אנו מתמקדים בהם על מנת לפתור את הבעיות הקיימות בחומרים מרוכבים חסיני כדורים, אופטימיזציה מתמשכת של תכונות החומר היא מוקד המחקר הנוכחי.
