Investigación y desarrollo en el campo de los materiales cerámicos.
Los vehículos militares se fabricaban tradicionalmente con armaduras de acero pesadas, caras y de alta resistencia. Los materiales compuestos de cerámica modernos se utilizan cada vez más como protección sin cojinete para vehículos de combate. Las principales ventajas de estos materiales son un costo mucho menor, una protección mejorada y una reducción de peso más de dos veces. Considere los materiales cerámicos básicos modernos utilizados hoy en día para la protección balística.
Debido a su capacidad para soportar temperaturas muy altas, sustancialmente mayor que la dureza de los metales, la resistencia específica más alta y la rigidez específica, las cerámicas se usan ampliamente para hacer revestimientos de motores, componentes de cohetes, filos de herramientas, protección especial transparente y opaca, que sin duda es una de Áreas prioritarias para el desarrollo de sistemas militares. Sin embargo, en el futuro, su alcance debería expandirse significativamente, ya que parte de la investigación y el desarrollo realizados en muchos países del mundo están buscando nuevas formas de mejorar la ductilidad, la resistencia al agrietamiento y otras propiedades mecánicas deseables debido a una combinación de base cerámica con fibras de refuerzo en la llamada cerámica. Materiales compuestos (KMKM). Además, las nuevas técnicas de fabricación permitirán la producción en serie de productos transparentes de gran calidad y muy duraderos, de formas complejas y grandes tamaños hechos de materiales que transmiten ondas visibles e infrarrojas. Además, la creación de nuevas estructuras utilizando nanotecnología permitirá obtener materiales duraderos y ligeros, muy resistentes a los productos químicos, resistentes a los productos químicos y, al mismo tiempo, prácticamente indestructibles. Tal combinación de propiedades hoy en día se considera mutuamente excluyente y, por lo tanto, muy atractiva para uso militar.
En la fabricación de vehículos blindados de patrulla, MASTIFF utilizó armaduras hechas de cerámica compuesta, así como metales tradicionales.
Materiales compuestos de matriz de cerámica (CMCM)
Al igual que sus análogos poliméricos, los CMCM consisten en un material base, llamado matriz, y una carga de refuerzo, que es partículas o fibras de otro material. Las fibras pueden ser continuas o discretas, orientadas al azar, colocadas en ángulos exactos, entrelazadas de una manera especial para obtener mayor resistencia y rigidez en direcciones predeterminadas o su distribución uniforme en todas las direcciones. Sin embargo, lo que no era la combinación de materiales o la orientación de las fibras, la conexión entre la matriz y el componente de refuerzo es fundamental para las propiedades del material. Como los polímeros tienen una rigidez menor en comparación con su material de refuerzo, la conexión entre la matriz y las fibras es, por regla general, tan fuerte que permite que el material resista la flexión en su totalidad. Sin embargo, en el caso de un CMCM, la matriz puede ser más rígida que las fibras de refuerzo, de modo que la fuerza de unión, optimizada de manera similar, para permitir una pequeña "deslocalización" de la fibra y la matriz, ayuda a absorber la energía de impacto, por ejemplo, y evita el desarrollo de grietas, que de otro modo resultarían A la fractura por fragilidad y agrietamiento. Esto hace que CMEC sea mucho más viscoso en comparación con las cerámicas puras, y esta es la más importante de las propiedades de las piezas móviles de alta carga, por ejemplo, las piezas de los motores a reacción.
Palas de turbina ligeras y calientes.
En febrero, el 2015 del año, GE Aviation anunció la prueba exitosa de lo que llama "el primer conjunto no estático del mundo de piezas de CMCM para un motor de avión", aunque la compañía no reveló los materiales utilizados para la matriz y el material de refuerzo. Estamos hablando de álabes de turbina de baja presión en una muestra experimental de un motor turbofan F414, cuyo desarrollo está diseñado para proporcionar una confirmación adicional del cumplimiento del material con los requisitos establecidos para el funcionamiento con altas cargas de choque. Esta actividad se lleva a cabo como parte del programa de desarrollo del motor de adaptación automática AETD (Demostrador de tecnología de motor adaptable) de próxima generación, en el que GE colabora con el laboratorio de investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU. El objetivo del programa AETD es proporcionar tecnologías clave que podrían implementarse en motores de combate de sexta generación y comenzar en medio de los 2020-s en motores de la quinta generación, por ejemplo, el F-35. Los motores adaptativos podrán regular su grado de aumento de presión y el grado de desvío en vuelo para obtener el empuje máximo durante el despegue y en combate o la máxima eficiencia de combustible en el modo de vuelo de crucero.
La compañía enfatiza que la introducción de piezas giratorias del CMCM en las partes "más calientes y con mayor carga" de un motor a reacción representa un avance significativo, ya que anteriormente la tecnología permitía usar el CMEC solo para la fabricación de piezas fijas, por ejemplo, un vendaje de turbina de alta presión. Durante las pruebas, los álabes de la turbina del CMCM en el motor F414 pasaron por los ciclos de 500, desde la velocidad de ralentí hasta el empuje y el retroceso del despegue.
Según la compañía, las aspas de la turbina son mucho más ligeras que las aspas convencionales hechas de aleaciones de níquel, lo que permitió que los discos de metal a los que están unidos se hicieran más pequeños y livianos.
“La transición de las aleaciones de níquel a la cerámica en rotación dentro del motor es un gran salto. Pero esto es pura mecánica ", dijo Jonathan Blank, director de KMTM y de los aglutinantes de polímeros de GE Aviation. - Las cuchillas más ligeras crean menos fuerza centrífuga. Esto significa que puede reducir el disco, los rodamientos y otras piezas. KMKM permitió realizar cambios revolucionarios en el diseño del motor a reacción ".
El objetivo del programa AETD es reducir el consumo de combustible específico en 25%, aumentar el rango de vuelo en más de 30% y aumentar el empuje máximo en 10% en comparación con los combatientes de generación 5 más avanzados. "Uno de los principales problemas en la transición de los componentes estáticos del CMCM a los componentes rotativos puede denominarse el campo de tensión en el que deberían funcionar", dijo Dan McCormick, gerente de programas del motor de combate avanzado de GE Aviation. Al mismo tiempo, agregó que probar el motor F414 arrojó resultados importantes que se utilizarán en el motor de ciclo adaptativo. “La pala de turbina de baja presión del CMPM pesa tres veces menos que la pala de metal que reemplaza, y en el segundo modo económico, no es necesario enfriar la pala del CMEC con aire. "La cuchilla ahora será más eficiente desde un punto de vista aerodinámico, ya que no hay necesidad de forzar todo este aire de enfriamiento a través de ella".
Los materiales de CMC, en los cuales, según la compañía, ha invertido más de mil millones de dólares desde que comenzó a trabajar con ellos al comienzo de 90, pueden soportar temperaturas cientos de grados más altas que las aleaciones de níquel tradicionales y se distinguen por reforzar las fibras de carburo de silicio en una matriz cerámica. Eso aumenta su resistencia al impacto y su resistencia al agrietamiento.
GE parece haber trabajado bastante duro en estas palas de turbina. Después de todo, algunas propiedades mecánicas de KMKM son muy modestas. Por ejemplo, la resistencia a la tracción es comparable a la resistencia a la tracción del cobre y las aleaciones de aluminio baratas, que no es muy buena para piezas con grandes fuerzas centrífugas. Además, exhiben una baja deformación en la rotura, es decir, cuando se destruyen, se alargan muy ligeramente. Sin embargo, estas deficiencias parecen haberse superado, y la baja masa de estos materiales definitivamente hizo una importante contribución a la victoria de la nueva tecnología.
Circuito interno del motor ADVENT (Tecnología de motor versátil adaptativa - tecnología de motor universal autoadaptativa) en un banco de pruebas en una planta de GE en Ohio
Armadura nanocerámica modular para tanque LEOPARDO 2
El aporte de la armadura compuesta.
Aunque las tecnologías de protección, que son una combinación de capas de metal, compuestos de polímeros reforzados con fibra y cerámicas, están bien desarrolladas, la industria continúa desarrollando materiales compuestos cada vez más complejos, pero muchos de los detalles de este proceso están cuidadosamente ocultos. Morgan Advanced Materials es una empresa bien conocida en esta área, que anunció el año pasado que ganó un premio en la conferencia de vehículos blindados XV en Londres por la tecnología de su protección SAMAC. Según Morgan, ampliamente utilizado en las máquinas del ejército británico, la protección SAMAC es un material compuesto reforzado con materiales como el vidrio S-2, el vidrio E, el aramida y el polietileno, que luego se conforman en hojas y se curan a alta presión: "La fibra se puede combinar con materiales híbridos de cerámica y metal para cumplir con requisitos específicos de diseño y rendimiento ".
Según Morgan, la armadura SAMAC con un grosor total de 25 mm, utilizada para fabricar cápsulas de protección de la tripulación, puede reducir el peso de las máquinas ligeras protegidas en más de 1000 kg en comparación con las máquinas con una cápsula de acero. Otros beneficios incluyen la reparación simplificada con un aumento en el grosor de menos de 5 mm y las propiedades intrínsecas de este bloque de astillas.
Progreso explícito de espinela
Según el laboratorio de investigación de la US Navy, el desarrollo y la producción de materiales transparentes a base de alúmina de magnesio (MgAI2O4), también conocido bajo el nombre general de espinela artificial, está en auge. Los espinelas son conocidos desde hace tiempo no solo por su durabilidad: una espinela de 0,25 de pulgada gruesa tiene las mismas características balísticas que las pulgadas de 2,5 a prueba de balas, sino también la complejidad de la fabricación de piezas de gran tamaño con transparencia uniforme. Sin embargo, un grupo de científicos de este laboratorio ha inventado un nuevo proceso de sinterización a baja temperatura en vacío, que permite obtener piezas en tamaños limitados solo por el tamaño de la prensa. Este es un gran avance en comparación con los procesos de fabricación anteriores, que se derivan del proceso de fusión del polvo original en un crisol de fusión.
Prensa caliente en el laboratorio de espinela del Laboratorio de Investigación de la Marina de los Estados Unidos
Uno de los secretos del nuevo proceso es la distribución uniforme del aditivo de sinterización del fluoruro de litio (LiF), que funde y "lubrica" los granos de espinela para que puedan distribuirse uniformemente durante la sinterización. En lugar de mezclar en seco polvos de fluoruro de litio y espinela, el laboratorio desarrolló un método para recubrir uniformemente partículas de espinela con fluoruro de litio. Esto le permite reducir significativamente el consumo de LiF y aumentar la transmitancia a 99% del valor teórico en las regiones espectrales visible e infrarroja media (micrones 0,4-5).
Un nuevo proceso que permite la producción de ópticas de varias formas, incluidas láminas, cómodas para las alas de los aviones o zumbido, fue autorizado por una empresa no identificada. Los posibles usos de la espinela incluyen vidrio blindado que pesa dos veces menos que el vidrio existente, máscaras protectoras para soldados, óptica láser de última generación y lentes con sensores multiespectrales. Con la producción en masa de, por ejemplo, lentes resistentes a las grietas para teléfonos inteligentes y tabletas, el costo de los productos de espinela disminuirá significativamente.
PERLUCOR: un nuevo hito en los sistemas de protección contra balas y desgaste
Pruebas de resistencia al rayado
Hace unos años, CeramTec-ETEC desarrolló cerámicas transparentes PERLUCOR, que tienen buenas perspectivas de uso tanto en defensa como en áreas civiles. Las excelentes propiedades físicas, químicas y mecánicas de PERLUCOR fueron las razones principales para la entrada exitosa de este material en el mercado.
PERLUCOR tiene una transparencia relativa sobre 90%, es tres a cuatro veces más fuerte y más duro que el vidrio ordinario, la resistencia al calor de este material es aproximadamente tres veces más alta, lo que permite su uso a temperaturas de hasta 1600 ° C, también tiene una resistencia química extremadamente alta, le permite usar Con ácidos concentrados y álcalis. PERLUCOR tiene un alto índice de refracción (1,72) que le permite hacer lentes ópticas y elementos ópticos de tamaño miniatura, es decir, obtener dispositivos con un aumento poderoso, que no se puede lograr con polímeros o vidrio. Las baldosas cerámicas PERLUCOR son de tamaño estándar 90x90 mm; sin embargo, CeramTec-ETEC ha desarrollado una tecnología para producir, sobre la base de este formato, hojas de formas complejas según las especificaciones del cliente. El grosor de los paneles puede ser, en casos especiales, de una décima de milímetro, pero, por regla general, es 2-10 mm.
El desarrollo de sistemas de protección transparente más ligeros y delgados para el mercado de defensa está avanzando rápidamente. Una importante contribución a este proceso es la cerámica transparente de la empresa SegamTes, que forma parte de los sistemas de protección de muchos fabricantes. La reducción de peso de dichos sistemas, probada de acuerdo con los estándares de STANAG 4569 o APSD, es del orden de 30-60 por ciento.
En los últimos años, ha tomado forma una dirección más de desarrollo de tecnologías desarrolladas por SegatTes-ETEC. Las ventanillas de los vehículos, especialmente en áreas rocosas y desérticas como Afganistán, son propensas a golpes de piedras y arañazos de las escobillas del limpiaparabrisas que se mueven sobre parabrisas arenosos y polvorientos. Además, se reducen las características balísticas de los vidrios antibalas que han sido dañados por impactos de piedras. Durante las hostilidades, los vehículos con vidrios dañados están expuestos a riesgos graves e impredecibles. SegamTes-ETEC ha desarrollado una solución verdaderamente innovadora y original para proteger el vidrio de este tipo de desgaste. La aplicación de una capa fina (<1 mm) de revestimiento cerámico PERLUCOR a la superficie del parabrisas ayuda a resistir con éxito dichos daños. Esta protección también es adecuada para instrumentos ópticos como telescopios, lentes, equipos de infrarrojos y otros sensores. Las lentes planas y curvas hechas de cerámica transparente PERLUCOR prolongan la vida útil de este equipo óptico tan valioso y sensible.
CeramTec-ETEC presentó con éxito un panel de puerta hecho de vidrio a prueba de balas y un panel de puerta resistente a rasguños en la feria DSEI 2015 en Londres.
Los sistemas de protección transparente Sapphire de Saint-Gobain corresponden a diferentes niveles de protección balística y, al mismo tiempo, tienen menos peso y grosor que los vidrios convencionales a prueba de balas.
Nanocerámica robusta y flexible.
La flexibilidad y la resistencia no son las cualidades inherentes a la cerámica, pero un grupo de científicos liderado por la profesora de Ciencia y Mecánica de Materiales Julia Greer del Instituto de Tecnología de California decidió resolver este problema. Los investigadores describen el nuevo material como "nano-rejillas cerámicas tridimensionales duraderas, ligeras y regeneradoras". Sin embargo, el mismo artículo se llama, publicado por Greer y sus estudiantes en una revista científica hace un par de años.
Lo que se oculta debajo de esto se ilustra mejor con un cubo hecho de nano-rejillas de óxido de aluminio de varias decenas de micras de tamaño, tomadas con un microscopio electrónico. Bajo la acción de la carga, se comprime con 85% y cuando se elimina se restaura a su tamaño original. También se llevaron a cabo experimentos con rejillas que consistían en tubos de diferentes espesores, siendo los tubos más finos los más fuertes y los más elásticos. Cuando se rompió el grosor de la pared de los tubos nanométricos 50, se destruyó la celosía y cuando el grosor de la pared de los nanómetros 10 se devolvió a su estado original, un ejemplo de cómo el efecto del tamaño aumenta la resistencia de algunos materiales. La teoría explica esto por el hecho de que con una disminución en el tamaño, la cantidad de defectos en los materiales a granel disminuye proporcionalmente. Con esta arquitectura, el% de celosía del tubo hueco 99,9 del volumen del cubo es aire.
El equipo del profesor Greer crea estas pequeñas estructuras, iniciando un proceso similar a la impresión 3D. Cada proceso comienza con un archivo CAD que controla dos láseres que "dibujan" una estructura en tres dimensiones, endureciendo el polímero en los puntos donde los haces se amplifican entre sí en fase. El polímero sin curar fluye desde la red curada, que ahora se convierte en el sustrato para formar la estructura final. Luego, los investigadores aplican alúmina al sustrato utilizando un método que permite un control preciso del espesor del recubrimiento. Finalmente, los extremos de la celosía se cortan para eliminar el polímero, dejando solo la red cristalina de los tubos huecos de alúmina.
Según Julia Greer, profesora del Instituto de Tecnología de California, las nano-rejillas tienen una masa ultrabaja y una excelente estabilidad mecánica y, al mismo tiempo, una gran superficie.
La fuerza del acero, y pesa como el aire.
El potencial de tales materiales "diseñados", que por su volumen están compuestos principalmente de aire, pero menos duraderos como el acero, es enorme, pero difícil de comprender, por lo que el profesor Greer citó varios ejemplos vívidos. El primer ejemplo, los globos, desde donde se bombea el helio, pero al mismo tiempo conserva su forma. El segundo, el futuro avión, cuyo diseño pesa tanto como su modelo manual pesa. Lo que es más sorprendente, si el famoso puente Golden Gate estuviera hecho de nano-rejillas similares, todos los materiales necesarios para su construcción podrían colocarse (sin aire) en la palma humana.
Al igual que las enormes ventajas estructurales de estos materiales duraderos, ligeros y resistentes al calor adecuados para innumerables aplicaciones militares, sus propiedades eléctricas predeterminadas podrían revolucionar el almacenamiento y la generación de energía: "Estas nanoconstrucciones tienen una masa muy pequeña, estabilidad mecánica y, al mismo tiempo, una gran área. Las superficies, es decir, las podemos usar en muchas aplicaciones del tipo electroquímico ".
Estos incluyen electrodos extremadamente eficientes para baterías y celdas de combustible, son un objetivo preciado para las fuentes de energía autónomas, las plantas de energía portátiles y portátiles, así como un verdadero avance en la tecnología de células solares.
"También puedes llamar cristales fotónicos a este respecto", dijo Greer. "Estas estructuras le permiten manipular la luz de tal manera que puede capturarla por completo, es decir, puede hacer que las células solares sean mucho más eficientes: captura toda la luz y no tiene pérdida de reflexión".
"Todo esto sugiere que la combinación del efecto de tamaño en nanomateriales y elementos estructurales nos permite crear nuevas clases de materiales con propiedades que aún no son alcanzables", dijo el Profesor Greer en la Organización Europea para la Investigación Nuclear en Suiza. "El mayor problema al que nos enfrentamos es cómo escalar y pasar de nano al tamaño de nuestro mundo".
En los sistemas de protección compuestos, las cerámicas generalmente se instalan como una capa exterior, preferiblemente perpendicular a la amenaza esperada. Las fibras poliméricas de poliaramida, polietileno o polipropileno forman un sustrato compuesto. El aumento de la rigidez y la resistencia estructural de las capas de polímeros individuales se logra impregnando y curando el material aglutinante. La elección correcta de los aglutinantes, como el caucho plastificado, el poliuretano o las resinas epoxi, conduce a una alta dureza escleroscópica (según Shore) y, en consecuencia, a las propiedades mecánicas deseadas que pueden optimizarse para ciertas amenazas.
Protección industrial de cerámica transparente.
IBD Deisenroth Engineering ha desarrollado una protección de cerámica transparente con características balísticas comparables a las de una armadura de cerámica opaca. Esta nueva protección transparente es más liviana en aproximadamente 70% de vidrio blindado y se puede ensamblar en estructuras con las mismas características de múltiples golpes (capacidad de soportar múltiples golpes) que con la armadura opaca. Esto permite no solo reducir drásticamente la masa de vehículos con grandes ventanales, sino también cerrar todos los huecos balísticos.
Para obtener una protección que cumpla con el estándar STANAG 4569, el nivel de vidrio blindado 3 tiene una densidad de superficie de aproximadamente 200 kg / m2. Con un área típica de una ventana de camión de tres metros cuadrados, el peso del vidrio a prueba de balas será de 600 kg. Cuando se reemplaza dicho vidrio blindado en cerámicas IBD, la reducción de peso será más de 400 kg. La cerámica transparente IBD es un desarrollo adicional de la cerámica IBD NANOTech. IBD ha tenido éxito en el desarrollo de procesos de unión tecnológicos especiales que se utilizan para ensamblar baldosas cerámicas ("armadura transparente de mosaico") y luego laminar estos ensamblajes con capas de base fuertes para formar paneles de ventanas grandes. Debido a las características sobresalientes de este material cerámico, es posible fabricar placas de blindaje transparentes con un peso significativamente menor. El sustrato en combinación con el material laminado NANO-Fiber Natural mejora aún más las características balísticas de la nueva protección transparente debido a su mayor absorción de energía.
La nueva tecnología ADI de la empresa OSG proporciona un entorno inastillable dentro de la máquina, mientras que le permite aumentar significativamente la vida útil esperada de la armadura transparente y, como resultado, ampliar la garantía de las ventanas de este vidrio.
La compañía israelí OSG (Oran Safety Glass), en respuesta a la creciente inestabilidad y tensión en todo el mundo, ha desarrollado una amplia gama de productos a partir de vidrio a prueba de balas. Están diseñados específicamente para la defensa y las esferas civiles, para los militares, grupos paramilitares, ocupaciones civiles de alto riesgo, la construcción y las industrias automotrices. La compañía promueve las siguientes tecnologías para el mercado: soluciones de protección transparente, soluciones de protección balística, sistemas avanzados de blindaje transparente adicionales, ventanas de ventanas visuales digitales, ventanas de salida de emergencia, ventanas de cerámica con tecnología de pantalla a color, sistemas de indicadores de luz integrados, placas de vidrio resistentes a los impactos Piedras, y por último, la tecnología anti-astilla ADI.
Los materiales transparentes OSG se están probando constantemente en situaciones de la vida real: repeler los ataques balísticos y físicos, salvar vidas y proteger la propiedad. Todos los materiales transparentes blindados fueron creados de acuerdo con las principales normas internacionales.
Materiales utilizados:
www.shephardmedia.com
www.geaviation.com
www.osg.co.il
www.morganadvancedmaterials.com
www.nrl.navy.mil
www.ceramtec.com
www.caltech.edu
www.ibd-deisenroth-engineering.de
www.saint-gobain.com
www.wikipedia.org
en.wikipedia.org
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