Els vehicles militars han estat tradicionalment fets d’acer blindat pesat, car, però d’alta resistència. Els materials compostos ceràmics moderns s’utilitzen cada vegada més com a protecció sense suport per als vehicles de combat. Els principals avantatges d’aquests materials són un cost significativament inferior, una protecció millorada i una reducció del pes en més de la meitat. Penseu en els materials ceràmics bàsics moderns que s’utilitzen actualment per a la protecció balística
A causa de la seva capacitat de suportar temperatures molt altes, significativament superiors a la dels metalls, la duresa, la resistència específica més alta i la rigidesa específica, la ceràmica és àmpliament utilitzada per a la fabricació de revestiments per a motors, components de coets, talls d’eines, transparents especials i escuts opacs, que, per descomptat, es troben entre les àrees prioritàries per al desenvolupament de sistemes militars. Tanmateix, en el futur, l’abast de la seva aplicació s’hauria d’ampliar significativament, ja que en el marc de la investigació i el desenvolupament duts a terme a molts països del món, s’estan cercant noves formes d’augmentar la plasticitat, la resistència a les esquerdes i altres propietats mecàniques desitjables. combinant una base ceràmica amb fibres de reforç en l’anomenada matriu ceràmica materials compostos (KMKM). A més, les noves tecnologies de fabricació permetran la producció en massa de productes transparents d’alta qualitat i duradors de formes complexes i mides grans a partir de materials que transmeten ones visibles i infraroges. A més, la creació de noves estructures mitjançant nanotecnologia permetrà obtenir materials duradors i lleugers, resistents al superescalfament, químicament resistents i, al mateix temps, pràcticament indestructibles. Aquesta combinació de propietats avui es considera mútuament excloent i, per tant, és molt atractiva per a aplicacions militars.
Materials compostos de matriu ceràmica (KMKM)
Igual que els seus anàlegs de polímers, els CMC consisteixen en una substància base, anomenada matriu, i un farciment de reforç, que són partícules o fibres d’un altre material. Les fibres poden ser contínues o discretes, orientades a l'atzar, col·locades en angles precisos, entrellaçades d'una manera especial per obtenir una major resistència i rigidesa en determinades direccions o distribuïdes uniformement en totes les direccions. No obstant això, sigui quina sigui la combinació de materials o l'orientació de la fibra, l'enllaç entre la matriu i el component de reforç és fonamental per a les propietats del material. Atès que els polímers són menys rígids que el material que els reforça, l’enllaç entre la matriu i les fibres sol ser prou fort per permetre que el material pugui resistir la flexió en el seu conjunt. No obstant això, en el cas de CMCM, la matriu pot ser més rígida que les fibres de reforç, de manera que la força d’unió, optimitzada de manera similar per permetre una lleu deslocalització de la fibra i la matriu, ajuda a absorbir l’energia d’impacte, per exemple, i a evitar el desenvolupament d’esquerdes. que d'una altra manera conduiria a una fràgil destrucció i divisió. Això fa que CMCM sigui molt més viscós en comparació amb la ceràmica pura, i aquesta és la propietat més important de les peces mòbils molt carregades, per exemple, les parts dels motors a reacció.
Pales de turbina lleugeres i calentes
El febrer de 2015, GE Aviation va anunciar amb èxit proves del que anomena "el primer kit CMC no estàtic del món per a motor d'avió", tot i que la companyia no va revelar els materials utilitzats per a la matriu i el material de reforç. Parlem de pales de turbina de baixa pressió en un model experimental del motor turboventilador F414, el desenvolupament del qual pretén proporcionar una confirmació addicional del compliment del material amb els requisits declarats per al funcionament a elevades càrregues de xoc. Aquesta activitat forma part del programa de demostració de motors autoadaptatius de nova generació del Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD), en el qual GE col·labora amb el Laboratori de Recerca de la Força Aèria dels Estats Units. L’objectiu del programa AETD és proporcionar tecnologies clau que es puguin implementar en motors de caces de sisena generació i, a partir de mitjan anys 2020, en motors d’avions de cinquena generació, com el F-35. Els motors adaptatius podran ajustar el seu augment de pressió i la relació de derivació en vol per tal d’obtenir la màxima empenta durant l’enlairament i en combat, o la màxima eficiència de combustible en mode de vol creuer.
L’empresa subratlla que la introducció de peces rotatives de CMC a les parts “més calentes i amb més càrrega” d’un motor a reacció representa un avanç significatiu, ja que anteriorment la tecnologia permetia utilitzar CMC només per a la fabricació de peces estacionàries, per exemple, un coberta de turbina d'alta pressió. Durant les proves, les pales de la turbina KMKM del motor F414 van passar per 500 cicles, des del ralentí fins a l’empenta i la marxa enrere.
Les pales de la turbina són molt més lleugeres que les pales convencionals d’aliatge de níquel, cosa que va permetre que els discos metàl·lics als quals s’uneixen siguin més petits i lleugers, va dir la companyia.
“El pas dels aliatges de níquel a la ceràmica giratòria dins del motor és un gran salt cap endavant. Però és una mecànica pura”, va dir Jonathan Blank, cap d’aglutinants CMC i polímers de GE Aviation. Les fulles més lleugeres creen menys força centrífuga. Això vol dir que podeu reduir el disc, els coixinets i altres parts. KMKM va permetre fer canvis revolucionaris en el disseny d'un motor a reacció”.
L’objectiu del programa AETD és reduir el consum específic de combustible en un 25%, augmentar el rang de vol en més d’un 30% i augmentar l’empenta màxima un 10% en comparació amb els caces de 5a generació més avançats. "Un dels majors reptes en passar de components estàtics CMC a components rotatius és el camp de tensió en què han d'operar", va dir Dan McCormick, gerent de programes de motors de combat avançats de GE Aviation. Al mateix temps, va afegir que la prova del motor F414 va donar resultats importants que s’utilitzaran en el motor de cicle adaptatiu. “Una fulla de turbina CMC de baixa pressió pesa tres vegades menys que la fulla metàl·lica que substitueix, a més, en el segon mode econòmic, no cal refredar la fulla CMC amb aire. Ara la fulla serà més eficient aerodinàmicament, ja que no cal bombar-hi tot aquest aire de refrigeració ".
Els materials KMKM, en què la companyia diu que ha invertit més de mil milions de dòlars des que va començar a treballar-hi a principis dels 90, poden suportar temperatures centenars de graus més altes que els aliatges de níquel tradicionals i es distingeixen per un reforç de fibra de carbur de silici en una matriu ceràmica., que augmenta la resistència a l’impacte i la resistència a les esquerdes.
Sembla que GE ha fet un treball força dur en aquestes pales de turbina. De fet, algunes de les propietats mecàniques de KMKM són molt modestes. Per exemple, la resistència a la tracció és comparable a la resistència a la tracció del coure i els aliatges d’alumini econòmics, cosa que no és molt bona per a les parts sotmeses a grans forces centrífugues. A més, presenten una baixa soca al trencament, és a dir, s’allarguen molt lleugerament al trencament. Tot i això, aquestes mancances semblen haver estat superades i el baix pes d’aquests materials va contribuir definitivament a la victòria de la nova tecnologia.
Armadura modular amb nanoceràmica per al tanc LEOPARD 2
Contribució d'armadura composta
Tot i que les tecnologies de protecció, que són una combinació de capes de metall, compostos de polímers reforçats amb fibra i ceràmica, estan ben establertes, la indústria continua desenvolupant materials compostos cada vegada més complexos, però molts dels detalls d’aquest procés s’amaguen acuradament. Morgan Advanced Materials és ben conegut en aquest camp i va anunciar un premi a la conferència Armored Vehicles XV a Londres l'any passat per la seva tecnologia de defensa SAMAS. Segons Morgan, la protecció SAMAS àmpliament utilitzada en vehicles de l'exèrcit britànic és un material compost reforçat amb materials com el vidre S-2, el vidre electrònic, l'aramida i el polietilè, que després es formen en làmines i es curen a alta pressió: "Les fibres es poden combinar amb materials ceràmics-metàl·lics híbrids per satisfer requisits especials de disseny i rendiment ".
Segons Morgan, l’armadura SAMAS d’un gruix total de 25 mm, que s’utilitza per a la fabricació de càpsules de protecció de la tripulació, pot reduir el pes dels vehicles protegits contra la llum en més de 1000 kg en comparació amb els vehicles amb càpsula d’acer. Altres avantatges són les reparacions més senzilles amb gruixos de menys de 5 mm de gruix i les propietats inherents del revestiment de fusta d’aquest material.
Progrés explícit de la spinel
Segons el Laboratori d’Investigació de la Marina dels Estats Units, el desenvolupament i la producció de materials transparents a base d’òxid d’alumini i magnesi (MgAI2O4), també conegut col·lectivament com a espinelles artificials, està en auge. Fa molt de temps que les espinelles són conegudes no només per la seva resistència: l’espinela de 0,25 "de gruix té les mateixes característiques balístiques que el vidre antibales de 2,5", sinó també per la dificultat de fabricar peces grans amb una transparència uniforme. Tot i això, un grup de científics d’aquest laboratori ha inventat un nou procés per a la sinterització a baixa temperatura al buit, que permet obtenir peces amb dimensions limitades només per la mida de la premsa. Es tracta d’un gran avenç en comparació amb els processos de fabricació anteriors, que van començar amb el procés de fondre la pols original en un gresol de fusió.
Un dels secrets del nou procés és la distribució uniforme de l’additiu de sinterització de fluorur de liti (LiF), que fon i lubrica els grans de spinel perquè es puguin distribuir uniformement durant la sinterització. En lloc de barrejar pols de fluorur de liti i espinela en sec, el laboratori ha desenvolupat un mètode per recobrir uniformement les partícules de spinel amb fluor de liti. Això us permet reduir significativament el consum de LiF i augmentar la transmitància de la llum fins al 99% del valor teòric a les regions de l’espectre visible i de l’infraroig mitjà (0,4-5 micres).
El nou procés, que permet la producció d’òptica en diverses formes, incloses les làmines que s’adapten còmodament a les ales d’un avió o un dron, ha estat llicenciada per una empresa sense nom. Les possibles aplicacions per a l’espinela inclouen vidres blindats que pesen menys de la meitat de la massa del vidre existent, màscares de protecció per als soldats, òptica per a làsers de nova generació i ulleres de sensor multiespectral. Quan es produeixen en massa, per exemple, ulleres resistents a les esquerdes per a telèfons intel·ligents i tauletes, el cost dels productes d’espinel disminuirà significativament.
PERLUCOR: una nova fita en els sistemes de protecció contra bala i desgast
CeramTec-ETEC va desenvolupar fa uns anys ceràmica transparent PERLUCOR amb bones perspectives tant per a la defensa com per a aplicacions civils. Les excel·lents propietats físiques, químiques i mecàniques de PERLUCOR van ser les principals raons de l’èxit de l’entrada d’aquest material al mercat.
PERLUCOR té una transparència relativa superior al 90%, és de tres a quatre vegades més forta i dura que el vidre normal, la resistència a la calor d’aquest material és aproximadament tres vegades superior, cosa que permet utilitzar-lo a temperatures de fins a 1600 ° C, també té una resistència química extremadament alta, això permet utilitzar-lo amb àcids i àlcalis concentrats. PERLUCOR té un alt índex de refracció (1, 72), que permet fabricar objectius òptics i elements òptics de dimensions miniatures, és a dir, obtenir dispositius amb un augment potent, que no es poden aconseguir amb polímers o vidre. Les rajoles ceràmiques PERLUCOR tenen una mida estàndard de 90x90 mm; no obstant això, CeramTec-ETEC ha desenvolupat una tecnologia per a la producció de làmines de forma complexa basada en aquest format segons les especificacions del client. El gruix dels panells pot ser, en casos especials, de dècimes de mil·límetre, però, en general, és de 2-10 mm.
El desenvolupament de sistemes més lleugers i prims de protecció transparent per al mercat de la defensa progressa a un ritme ràpid. Una important contribució a aquest procés la fa la ceràmica transparent de l’empresa SegamTes, que forma part dels sistemes de protecció de molts fabricants. Quan es prova segons STANAG 4569 o APSD, la reducció de pes és de l'ordre del 30-60 per cent.
En els darrers anys, s’ha concretat una altra direcció en el desenvolupament de tecnologies desenvolupades per SegatTes-ETEC. Les finestres dels vehicles, especialment a les zones rocoses i desèrtiques com l’Afganistan, són propenses a impactes de pedra i esgarrapades pel moviment de les eixugaparabrises sobre un parabrisa de sorra i pols. A més, es redueixen les característiques balístiques dels vidres resistents a bales que han estat danyats per cops de pedra. Durant les hostilitats, els vehicles amb vidres danyats estan exposats a riscos greus i imprevisibles. SegamTes-ETEC ha desenvolupat una solució veritablement innovadora i original per protegir el vidre d’aquest tipus de desgast. Una capa fina (<1 mm) de recobriment ceràmic PERLUCOR a la superfície del parabrisa ajuda a resistir amb èxit aquests danys. Aquesta protecció també és adequada per a instruments òptics com telescopis, lents, equips d'infrarojos i altres sensors. Les lents planes i corbes de ceràmica clara PERLUCOR amplien la vida útil d’aquest equip òptic molt valuós i sensible.
CeramTec-ETEC va presentar amb èxit un panell de portes de vidre a prova de bales i un panell de protecció resistent a les ratllades i a les pedres al DSEI 2015 de Londres.
Nanoceràmica resistent i flexible
La flexibilitat i la resistència no són qualitats inherents a la ceràmica, però un equip de científics dirigit per la professora de ciència i mecànica de materials Julia Greer del California Institute of Technology va assumir el problema. Els investigadors descriuen el nou material com a "nanolàtiques de ceràmica tridimensionals resistents, lleugeres i regenerables". Tanmateix, aquest és el mateix nom d’un article publicat per Greer i els seus estudiants en una revista científica fa un parell d’anys.
El que s’amaga a sota s’il·lustra millor amb un cub de nanolàtiques d’òxid d’alumini de diverses desenes de micres, preses amb un microscopi electrònic. Sota l'acció de la càrrega, es redueix un 85% i, quan es retira, es recupera la mida original. També es van dur a terme experiments amb gelosies formades per tubs de diferents gruixos, sent els tubs més prims els més forts i elàstics. Amb un gruix de paret de tub de 50 nanòmetres, la xarxa es va esfondrar i amb un gruix de paret de 10 nanòmetres, va tornar al seu estat original, un exemple de com l’efecte de mida augmenta la resistència d’alguns materials. La teoria ho explica pel fet que amb una disminució de la mida, el nombre de defectes en materials a granel disminueix proporcionalment. Amb aquesta arquitectura de la xarxa de tubs buits, el 99,9% del volum del cub és aire.
L’equip del professor Greer crea aquestes petites estructures executant un procés similar a la impressió 3D. Cada procés comença amb un fitxer CAD que acciona dos làsers que "pinten" l'estructura en tres dimensions, curant el polímer en punts on els feixos s'amplifiquen mútuament en fase. El polímer no curat surt de la quadrícula curada, que ara es converteix en el substrat per formar l’estructura final. Els investigadors apliquen l'alúmina al substrat mitjançant un mètode que controla amb precisió el gruix del recobriment. Finalment, es tallen els extrems de la xarxa per eliminar el polímer, deixant només la xarxa cristal·lina dels tubs buits d’alúmina.
Resistència de l’acer, però pesa com l’aire
El potencial d'aquests materials "dissenyats", que són majoritàriament d'aire per volum, però menys resistents que l'acer, és enorme, però difícil de comprendre, de manera que el professor Greer va donar diversos exemples sorprenents. El primer exemple, globus a partir dels quals s’explota l’heli, però conservant al mateix temps la seva forma. El segon avió futur, el disseny del qual pesa tant com el seu model manual. El més sorprenent és que, si el famós Golden Gate Bridge es fes amb nanolàtiques, es podrien col·locar tots els materials necessaris per a la seva construcció (excloent l’aire) en una palma humana.
Així com els enormes avantatges estructurals d’aquests materials resistents, lleugers i resistents a la calor adequats per a infinitat d’aplicacions militars, les seves propietats elèctriques predeterminades podrien revolucionar l’emmagatzematge i la generació d’energia: “Aquestes nanoestructures són molt lleugeres, estables mecànicament i al mateix temps enormes mida, superfícies, és a dir, podem utilitzar-ho en diverses aplicacions del tipus electroquímic."
Aquests inclouen elèctrodes extremadament eficients per a piles i piles de combustible, són un objectiu estimat per a fonts d’alimentació autònomes, centrals elèctriques portàtils i transportables, així com un veritable avenç en la tecnologia de les cèl·lules solars.
"Els cristalls fotònics també es poden anomenar en aquest sentit", va dir Greer. "Aquestes estructures us permeten manipular la llum de manera que pugueu capturar-la completament, cosa que significa que podeu produir cèl·lules solars molt més eficients: capteu tota la llum i no teniu cap pèrdua de reflexió".
"Tot això suggereix que la combinació de l'efecte de mida en nanomaterials i elements estructurals ens permet crear noves classes de materials amb propietats que no s'han aconseguit", va dir el professor Greer de l'Organització Europea d'Investigació Nuclear de Suïssa. "El repte més gran que tenim és com escalar i passar del nano a la mida del nostre món".
Protecció industrial de ceràmica transparent
IBD Deisenroth Engineering ha desenvolupat una armadura de ceràmica transparent amb un rendiment balístic comparable a l’armadura de ceràmica opaca. Aquesta nova armadura transparent és aproximadament un 70% més lleugera que el vidre blindat i es pot muntar en estructures amb les mateixes característiques d’impacte múltiple (capacitat de suportar múltiples cops) que una armadura opaca. Això permet no només reduir dràsticament la massa de vehicles amb grans finestrals, sinó també tancar tots els buits balístics.
Per obtenir protecció d’acord amb el nivell 3 de STANAG 4569, el vidre antibales té una densitat superficial d’aproximadament 200 kg / m2. Amb una superfície típica de finestres d’un camió de tres metres quadrats, la massa dels vidres antibales serà de 600 kg. En substituir aquests vidres antibales per ceràmica IBD, la reducció de pes serà de més de 400 kg. La ceràmica transparent de IBD és un desenvolupament més de la ceràmica IBD NANOTech. IBD ha aconseguit desenvolupar processos especials d’unió que s’utilitzen per muntar rajoles ceràmiques (“armadura transparent de mosaic”) i després laminar aquests conjunts en capes estructurals resistents per formar grans panells de finestres. A causa de les característiques excepcionals d'aquest material ceràmic, és possible produir panells d'armadura transparents amb un pes significativament inferior. El suport, en combinació amb el laminat de fibra natural NANO, millora encara més el rendiment balístic de la nova protecció transparent a causa de la seva major absorció d’energia.
L’empresa israeliana OSG (Oran Safety Glass), que respon a nivells creixents d’inestabilitat i tensió a tot el món, ha desenvolupat una àmplia gamma de productes de vidre antibales. Estan dissenyats específicament per a la defensa i els sectors civils, els militars, els paramilitars, les ocupacions civils d'alt risc, la indústria de la construcció i l'automoció. L’empresa promou al mercat les següents tecnologies: solucions de protecció transparent, solucions de protecció balística, sistemes d’armadures transparents avançats addicionals, finestres visuals digitals, finestres de sortida d’emergència, finestres de ceràmica amb tecnologia de visualització en color, sistemes d’il·luminació indicadors integrats, escuts de vidre resistents als cops i, finalment, la tecnologia anti-estella ADI.
Els materials transparents OSG són provats constantment en situacions de la vida real: repel·lir atacs físics i balístics, salvar vides i protegir la propietat. Tots els materials blindats transparents s’han creat d’acord amb les principals normes internacionals.
