Keramisk rustning

Keramisk pansar är pansar som används av pansarfordon och i personlig rustning för att motstå projektilpenetration genom hög hårdhet och tryckhållfasthet. I sin mest grundläggande form består den av två primära komponenter: Ett keramiskt skikt på den yttre ytan, kallat "strikefacet", uppbackat av en duktil fiberförstärkt plastkomposit eller metallskikt. Keramikens roll är att (1) spräcka projektilen eller deformera projektilnosen vid stöten, (2) erodera och bromsa projektilresten när den penetrerar det krossade keramiska lagret, och (3) fördela stötbelastningen över en större område som kan absorberas av seg polymer eller metalliska underlag. Keramik används ofta där lätt vikt är viktigt, eftersom de väger mindre än metallegeringar för en viss grad av motstånd. De vanligaste materialen är aluminiumoxid , borkarbid och, i mindre utsträckning, kiselkarbid .

Historia

Tester så tidigt som 1918 visade potentialen hos keramiska rustningar; Major Neville Monroe-Hopkins fann att att lägga till ett tunt lager av emalj till stål förbättrade dess ballistiska egenskaper avsevärt. Dess första operativa användning var inte förrän i Vietnamkriget där helikoptrar ofta hamnade under handeldvapen. 1965 gavs keramiska kroppsrustningar till helikopterbesättningar, och "hårda sammansatta" pansarsatser lades till pilotsäten. Året därpå användes monolitiska keramiska västar och pansarpaneler monterade på flygskrov. I "Huey" -helikoptrar uppskattades dessa förbättringar ha minskat antalet dödsfall med 53 % och skadorna utan dödlig utgång med 27 %.

Design

Keramiska pansardesigner sträcker sig från monolitiska plattor till system som använder tredimensionella matriser. Ett av de första patenten på keramiska rustningar lämnades in 1967 av Goodyear Aerospace Corp. Det inbäddade aluminiumoxidkeramiska sfärer i tunna aluminiumskivor, som var skiktade så att sfärerna i varje lager skulle fylla mellanrummen mellan sfärerna i de omgivande lagren, på ett sätt som liknar en kroppscentrerad kubisk packningsstruktur. Hela systemet hölls samman med polyuretanskum och antingen tjock aluminium, flerskiktad UHMWPE, para-aramidfiber eller 30 % PALF + 70 % epoxikompositbaksida. Denna utveckling demonstrerade effektiviteten av matrisbaserad design och sporrade utvecklingen av andra matrisbaserade system. De flesta av dessa kombinerar cylindriska, hexagonala eller sfäriska keramiska element med en baksida av någon icke-pansardedikerad legering. Monolitisk platta rustning, däremot, bygger på enstaka plattor av en avancerad keramik som glider in i en traditionell ballistisk väst i stället för en stålplåt.

Mekanism

Till skillnad från metaller används keramik aldrig ensam, som fristående material, i pansarsystem; de kombineras alltid med ett formbart stöd eller stödskikt av metall- eller fiberförstärkta plastkompositmaterial , och denna keramiska konstruktion kallas keramisk pansar. Keramiska material, som glas , har hög hårdhet och tryckhållfasthet men låg draghållfasthet. Att binda en keramisk platta till ett metalliskt eller sammansatt underlagsmaterial, med hög hållfasthet och god duktilitet, fördröjer eller mildrar dragbrott vid stöten och tvingar keramiken att misslyckas i kompression.

Keramiska pansarsystem besegrar handeldvapenprojektiler och kinetisk energipenetratorer med två huvudmekanismer: splittring och erosion. När en projektil av hårt stål eller volframkarbid träffar det keramiska lagret i ett keramiskt pansarsystem, stoppas den tillfälligt, i ett fenomen som kallas dwell. Beroende på tjockleken och hårdheten hos det keramiska skiktet, är projektilkärnan sedan antingen splittrad, spräckt eller trubbig. Projektilens rester fortsätter att penetrera den finfördelade keramiska plattan med en reducerad hastighet, vilket eroderar dessa rester och minskar deras energi, längd och massa. Det metall- eller fiberförstärkta plastkompositskiktet bakom det keramiska skiktet stoppar sedan projektilens fragment eller dess eroderade rester och absorberar kvarvarande kinetisk energi, vanligtvis via plastisk deformation . Om stödmaterialet är för tunt eller för svagt för att absorbera den kvarvarande kinetiska energin - eller om projektilen inte splittras och den eroderade projektilresten behåller för mycket av sin massa och kinetiska energi - kommer penetration att ske. Både det keramiska skiktet och dess bärande skikt är därför lika viktiga.

I keramiska pansar för fordon är stödmaterialet oftast konstruktionsstål, ofta rullat homogen pansar , även om aluminium ibland används. Inom pansar, där designers av keramiska pansar strävar efter att göra keramiska pansarplattor så lätta och så bekväma som möjligt, är stödmaterialet vanligtvis en lätt polyetenfiberkomposit med ultrahög molekylvikt, men kan också vara en aramidfiberkomposit - och , i low-end keramiska pansarplattor eller i plattor för stationära bärare som helikopterbesättningar, används ibland glasfiber .

Mot högexplosiva pansarvärnsskott bryter de keramiska elementen upp geometrin hos metallstrålen som genereras av den formade laddningen, vilket kraftigt minskar penetrationen.

Ansökningar

Personal

Keramiska pansarplåtar

Keramiska plattor används vanligtvis som inlägg i mjuka ballistiska västar . De flesta keramiska plattor som används i kroppsskydd ger National Institute of Justice Type III-skydd , vilket gör att de kan stoppa gevärskulor . Keramiska plattor är en form av kompositrustning . Insatsplåtar kan också vara gjorda av stål eller polyeten med ultrahög molekylvikt .

En keramisk platta skjuts vanligtvis in i det yttre lagret av en mjuk pansarväst. Det kan finnas två plattor, en framtill och en baktill, eller en universalplatta antingen fram eller bak. Vissa västar tillåter användning av små tallrikar på sidorna för extra skydd.

Keramiska plattor utgivna av USA:s militär kallas Enhanced Small Arms Protective Inserts (ESAPI).

Den ungefärliga vikten för en NIJ Level III keramisk pansarplatta är 4,4 till 8 pund (2–3,6 kg) för den typiska storleken 10" gånger 12". Det finns andra typer av tallrikar som finns i olika storlekar och erbjuder olika skyddsnivåer. Till exempel erbjuder MC-Plate (maximal täckplatta) 19 % mer täckning än en vanlig keramisk platta.

Keramiska material, materialbearbetning och framsteg inom keramisk penetrationsmekanik är viktiga områden för akademisk och industriell verksamhet. Detta kombinerade fält av keramisk pansarforskning är brett och sammanfattas kanske bäst av The American Ceramics Society. ACerS har genomfört en årlig pansarkonferens under ett antal år och sammanställt ett protokoll 2004–2007. Ett område med speciell aktivitet som hänför sig till västar är den framväxande användningen av små keramiska komponenter. Stora keramiska plattor är komplexa att tillverka och utsätts för sprickbildning vid användning. Monolitiska plåtar har också begränsad multiträffkapacitet som ett resultat av deras stora kollisionsbrottzon. Detta är motiven för nya typer av pansarplåtar. Dessa nya konstruktioner använder två- och tredimensionella uppsättningar av keramiska element som kan vara styva, flexibla eller halvflexibla. Dragon Skin kroppsrustning är ett av dessa system, även om det har misslyckats med många tester utförda av den amerikanska armén och har avvisats. Europeisk utveckling inom sfäriska och hexagonala arrayer har resulterat i produkter som har viss flex- och multiträffprestanda. Tillverkning av system av arraytyp med flexibel, konsekvent ballistisk prestanda vid kanterna av keramiska element är ett aktivt forskningsområde. Dessutom kräver avancerade keramiska bearbetningstekniker arrayer limmontagemetoder. Ett nytt tillvägagångssätt är användningen av kardborrefästen för att montera de keramiska matriserna.