③El más comúnmente utilizadoa prueba de balasmaterial cerámico
Desde el siglo XXI, las cerámicas antibalas se han desarrollado rápidamente y existen muchos tipos, entre ellos alúmina, carburo de silicio, carburo de boro, nitruro de silicio, boruro de titanio, etc., entre los cuales las cerámicas de alúmina (Al₂O₃), las cerámicas de carburo de silicio (SiC) y las cerámicas de carburo de boro (B4C) son las más utilizadas.
Las cerámicas de alúmina tienen la mayor densidad, pero la dureza es relativamente baja, el umbral de procesamiento es bajo y el precio es bajo. Según la pureza, se dividen en cerámicas de alúmina de 85/90/95/99, y la dureza y el precio correspondientes también aumentan sucesivamente.
| Materiales | Densidad /(kg*m²) | Módulo de elasticidad /(GN*m²) | HV | Equivalente al precio de la alúmina |
| Carburo de boro | 2500 | 400 | 30000 | X 10 |
| Óxido de aluminio | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| diboruro de titanio | 4500 | 570 | 33000 | X10 |
| carburo de silicio | 3200 | 370 | 27000 | X5 |
| Recubrimiento de oxidación | 2800 | 415 | 12000 | X10 |
| BC/SiC | 2600 | 340 | 27500 | X7 |
| Cerámica de vidrio | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| nitruro de silicio | 3200 | 310 | 17000 | X5 |
Comparación de las propiedades de diferentes cerámicas antibalas.
La cerámica de carburo de silicio tiene una densidad relativamente baja, una alta dureza y es una cerámica estructural rentable, por lo que también es la cerámica antibalas más utilizada en China.
Las cerámicas de carburo de boro tienen la menor densidad y la mayor dureza entre estas cerámicas, pero al mismo tiempo, sus requisitos para la tecnología de procesamiento también son muy altos, requiriendo sinterización a alta temperatura y alta presión, por lo que el costo también es el más alto entre estas tres cerámicas.
En comparación con estos tres materiales cerámicos antibalas más comunes, la cerámica antibalas de alúmina tiene el menor costo, pero su rendimiento antibalas es muy inferior al del carburo de silicio y el carburo de boro. Por ello, las unidades de producción nacionales actuales se centran en la cerámica antibalas de carburo de silicio y carburo de boro, mientras que la cerámica de alúmina es escasa. Sin embargo, la alúmina monocristalina se puede utilizar para preparar cerámicas transparentes, ampliamente utilizadas como materiales transparentes con propiedades lumínicas, y se aplican en equipos militares como máscaras antibalas individuales para soldados, ventanas de detección de misiles, ventanas de observación para vehículos y periscopios de submarinos.
④ Dos de los materiales cerámicos antibalas más populares
Cerámica antibalas de carburo de silicio
El enlace covalente del carburo de silicio es muy fuerte y mantiene una alta resistencia incluso a altas temperaturas. Esta característica estructural confiere a la cerámica de carburo de silicio una excelente resistencia, alta dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica, buena resistencia al choque térmico y otras propiedades. Al mismo tiempo, la cerámica de carburo de silicio tiene un precio moderado y es rentable, lo que la convierte en uno de los materiales de protección de alto rendimiento más prometedores.
Las cerámicas de carburo de silicio tienen un amplio potencial de desarrollo en el campo de la protección blindada, y sus aplicaciones en equipos individuales y vehículos especiales tienden a diversificarse. Cuando se utilizan como material de blindaje protector, considerando el costo, las aplicaciones específicas y otros factores, generalmente consisten en una pequeña disposición de paneles cerámicos y un plano posterior compuesto unidos para formar una placa objetivo de material compuesto cerámico, con el fin de superar la falla de la cerámica debido a la tensión y garantizar que la penetración del proyectil solo fragmente una pieza sin dañar el blindaje completo.
Cerámica antibalas de carburo de boro
El carburo de boro es el material más duro conocido después del diamante y el nitruro de boro cúbico, con una dureza de hasta 3000 kg/mm². Su densidad es baja, solo 2,52 g/cm³, lo que equivale a 1/3 de la del acero. Posee un alto módulo elástico de 450 GPa y un alto punto de fusión de aproximadamente 2447 °C. Su coeficiente de expansión térmica es bajo y su conductividad térmica es alta. Además, el carburo de boro tiene buena estabilidad química y resistencia a la corrosión por ácidos y álcalis. A temperatura ambiente, no reacciona con ácidos, bases ni la mayoría de los líquidos inorgánicos, excepto en mezclas de ácido fluorhídrico-ácido sulfúrico y ácido fluorhídrico-ácido nítrico, donde presenta una corrosión lenta. La mayoría de los metales fundidos no reaccionan con él. El carburo de boro también tiene una buena capacidad de absorción de neutrones, característica que no poseen otros materiales cerámicos. El B4C posee la menor densidad de varias cerámicas de blindaje de uso común, combinada con un alto módulo de elasticidad, lo que lo convierte en una buena opción para materiales en blindaje militar y aplicaciones espaciales. El principal problema del B4C es su elevado precio (aproximadamente 10 veces superior al de la alúmina) y su fragilidad, lo que limita su amplia aplicación como blindaje protector monofásico.
⑤Método de preparación de cerámica antibalas.
| Tecnología de preparación | Características del proceso | |
| Ventaja | ||
| Sinterización por prensado en caliente | Mediante una baja temperatura y un corto tiempo de sinterización, se pueden obtener cerámicas con grano fino, alta densidad relativa y buenas propiedades mecánicas. | |
| Sinterización a presión ultra alta | Se logra una sinterización rápida a baja temperatura y una mayor tasa de densificación. | |
| Sinterización por prensado isostático en caliente | Mediante una baja temperatura de sinterización, un tiempo de agitación corto y una contracción uniforme del cuerpo cerámico, se pueden preparar cerámicas de alto rendimiento y forma compleja. | |
| Sinterización por microondas | Densificación rápida, calentamiento uniforme sin gradiente, mejora de la estructura del material, mejora del rendimiento del material, alta eficiencia y ahorro de energía. | |
| Sinterización por plasma de descarga | El tiempo de sinterización es corto, la temperatura de sinterización es baja, el rendimiento cerámico es bueno y la densidad del material de gradiente de sinterización de alta energía es alta. | |
| método de fusión por haz de plasma | La materia prima en polvo se funde completamente, no está limitada por el tamaño de las partículas del polvo, no necesita un fundente de bajo punto de fusión y el producto tiene una estructura densa. | |
| sinterización por reacción | Tecnología de fabricación de tamaño casi final, proceso sencillo, bajo coste, permite preparar piezas de gran tamaño y forma compleja. | |
| Sinterización sin presión | El producto ofrece un excelente rendimiento a altas temperaturas, un proceso de sinterización sencillo y un bajo coste. Dispone de numerosos métodos de conformado adecuados, que permiten su uso en piezas grandes, complejas y de gran espesor, y también son idóneos para la producción industrial a gran escala. | |
| sinterización en fase líquida | Baja temperatura de sinterización, baja porosidad, grano fino, alta densidad, alta resistencia. | |
| Tecnología de preparación | Características del proceso | |
| Desventaja | ||
| Sinterización por prensado en caliente | El proceso es más complejo, los materiales y equipos necesarios para el molde son exigentes, la eficiencia de producción es baja, el coste de producción es elevado y la forma solo se puede obtener con productos sencillos. | |
| Sinterización a presión ultra alta | Solo permite la elaboración de productos con formas sencillas, baja producción, alta inversión en equipos, altas condiciones de sinterización y alto consumo energético. Actualmente, se encuentra únicamente en fase de investigación. | |
| Sinterización por prensado isostático en caliente | El costo del equipo es alto y el tamaño de la pieza a procesar es limitado. | |
| Sinterización por microondas | La tecnología teórica necesita mejoras, el equipo es insuficiente y no se ha aplicado ampliamente. | |
| Sinterización por plasma de descarga | La teoría básica necesita mejoras, el proceso es complejo y el coste es elevado, por lo que aún no se ha industrializado. | |
| método de fusión por haz de plasma | No se han alcanzado los altos requisitos de equipamiento necesarios para su aplicación generalizada. | |
| sinterización por reacción | El silicio residual reduce las propiedades mecánicas a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión y la resistencia a la oxidación del material. | |
| Sinterización sin presión | La temperatura de sinterización es alta, existe cierta porosidad, la resistencia es relativamente baja y hay una contracción volumétrica de aproximadamente el 15%. | |
| sinterización en fase líquida | Es propenso a la deformación, a una gran contracción y a la dificultad de controlar la precisión dimensional. | |
| Cerámico |
| AL2O3.B4 C .Sic |
| AL2O3 |
| AL2O3.B4 C .Sic |
| AL2O3 |
| AL2O3.B4 C .Sic |
| AL2O3 |
| B4 C .Sic |
| AL2O3.B4 C .Sic |
| .Sic |
Actualización de cerámica antibalas
Aunque el potencial antibalas del carburo de silicio y el carburo de boro es muy grande, no se puede ignorar el problema de la baja tenacidad a la fractura y la fragilidad de las cerámicas monofásicas. El desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas ha planteado requisitos para la funcionalidad y la economía de las cerámicas antibalas: multifuncionalidad, alto rendimiento, ligereza, bajo costo y seguridad. Por lo tanto, en los últimos años, expertos y académicos buscan lograr la resistencia, la ligereza y la economía de las cerámicas mediante microajustes, incluyendo sistemas compuestos de cerámica multicomponente, cerámicas con gradiente funcional, diseño de estructuras en capas, etc. Este tipo de blindaje es más ligero que el blindaje actual y mejora significativamente el rendimiento de las unidades de combate.
Las cerámicas con gradiente funcional muestran cambios regulares en las propiedades del material mediante un diseño microscópico. Por ejemplo, en sistemas compuestos de boruro de titanio, titanio metálico, óxido de aluminio, carburo de silicio, carburo de boro, nitruro de silicio, aluminio metálico y otros sistemas compuestos metal/cerámica, el rendimiento del gradiente cambia a lo largo del espesor, lo que permite la transición de una alta dureza a una alta tenacidad en cerámicas antibalas.
Las cerámicas multifásicas nanométricas se componen de partículas dispersas submicrométricas o nanométricas añadidas a la matriz cerámica. Por ejemplo, en el caso de SiC-Si3N4-Al2O3 y B4C-SiC, la dureza, la tenacidad y la resistencia de las cerámicas mejoran notablemente. Se informa que los países occidentales están estudiando la sinterización de polvo a nanoescala para preparar cerámicas con un tamaño de grano de decenas de nanómetros, con el fin de lograr resistencia y tenacidad en el material. Se espera que las cerámicas antibalas logren un gran avance en este sentido.
Resumir
Ya se trate de cerámicas monofásicas o multifásicas, los mejores materiales cerámicos antibalas son el carburo de silicio y el carburo de boro. En particular, gracias al desarrollo de la tecnología de sinterización, las excelentes propiedades de las cerámicas de carburo de boro se hacen cada vez más evidentes, y sus aplicaciones en el campo de la protección antibalas seguirán desarrollándose.
Fecha de publicación: 14 de diciembre de 2023