③O mais comumente usadoà prova de balasmaterial cerâmico
Desde o século XXI, as cerâmicas à prova de balas têm se desenvolvido rapidamente, e existem muitos tipos, incluindo alumina, carbeto de silício, carbeto de boro, nitreto de silício, borido de titânio, etc., entre as quais as cerâmicas de alumina (Al₂O₃), carbeto de silício (SiC) e carbeto de boro (B4C) são as mais utilizadas.
A cerâmica de alumina possui a maior densidade, mas a dureza é relativamente baixa, o limite de processamento é baixo e o preço também é baixo. De acordo com a pureza, a cerâmica de alumina é dividida em 85/90/95/99, sendo que a dureza e o preço correspondentes aumentam proporcionalmente.
| Materiais | Densidade /(kg*m²) | Módulo de elasticidade /(GN*m²) | HV | Equivalente ao preço da alumina. |
| Carbeto de boro | 2500 | 400 | 30000 | X 10 |
| Óxido de alumínio | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| Diboreto de titânio | 4500 | 570 | 33000 | X10 |
| Carbeto de silício | 3200 | 370 | 27000 | X5 |
| Revestimento por oxidação | 2800 | 415 | 12000 | X10 |
| BC/SiC | 2600 | 340 | 27500 | X7 |
| Cerâmica de vidro | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| nitreto de silício | 3200 | 310 | 17000 | X5 |
Comparação das propriedades de diferentes cerâmicas à prova de balas
A cerâmica de carboneto de silício possui densidade relativamente baixa e alta dureza, sendo uma cerâmica estrutural de baixo custo, o que a torna a cerâmica à prova de balas mais utilizada na China.
Dentre essas cerâmicas, as de carboneto de boro apresentam a menor densidade e a maior dureza, porém, ao mesmo tempo, suas exigências em termos de tecnologia de processamento também são muito elevadas, requerendo sinterização em alta temperatura e alta pressão, o que resulta no custo mais alto entre as três cerâmicas.
Comparada a esses três materiais cerâmicos à prova de balas mais comuns, a cerâmica de alumina apresenta o menor custo, porém seu desempenho à prova de balas é muito inferior ao do carboneto de silício e do carboneto de boro. Por isso, as unidades de produção nacionais de cerâmica à prova de balas atualmente se concentram em carboneto de silício e carboneto de boro, enquanto as de alumina são raras. Contudo, a alumina monocristalina pode ser utilizada para preparar cerâmicas transparentes, amplamente empregadas como materiais transparentes com propriedades de iluminação, sendo aplicadas em equipamentos militares como máscaras à prova de balas para soldados, visores de detecção de mísseis, janelas de observação de veículos e periscópios de submarinos.
④ Dois dos materiais cerâmicos à prova de balas mais populares
cerâmica à prova de balas de carboneto de silício
A ligação covalente do carbeto de silício é muito forte e mantém alta resistência mesmo em altas temperaturas. Essa característica estrutural confere à cerâmica de carbeto de silício excelente resistência mecânica, alta dureza, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, alta condutividade térmica, boa resistência ao choque térmico e outras propriedades. Além disso, o preço da cerâmica de carbeto de silício é moderado, o que a torna um dos materiais de proteção de blindagem de alto desempenho mais promissores.
A cerâmica de carbeto de silício possui amplo espaço de desenvolvimento na área de proteção de blindagem, e suas aplicações em equipamentos individuais e veículos especiais tendem a ser diversificadas. Quando utilizada como material de blindagem protetora, considerando o custo, as aplicações específicas e outros fatores, geralmente se utiliza um arranjo de pequenos painéis de cerâmica e um plano de suporte composto, unidos para formar uma placa alvo de cerâmica composta. Isso visa superar a falha da cerâmica devido à tensão de tração e garantir que a penetração do projétil fragmente apenas uma única peça, sem danificar toda a blindagem.
Cerâmica à prova de balas de carboneto de boro
O carboneto de boro é um dos materiais mais duros conhecidos, depois do diamante e do nitreto cúbico de boro, com dureza de até 3000 kg/mm². Sua densidade é baixa, apenas 2,52 g/cm³, o que corresponde a 1/3 da densidade do aço. Possui alto módulo de elasticidade, 450 GPa, e alto ponto de fusão, em torno de 2447 °C. O coeficiente de expansão térmica é baixo e a condutividade térmica é alta. Além disso, o carboneto de boro apresenta boa estabilidade química e resistência à corrosão por ácidos e álcalis. À temperatura ambiente, não reage com ácidos, bases e a maioria dos compostos inorgânicos líquidos, apresentando corrosão lenta apenas em misturas de ácido fluorídrico e ácido sulfúrico, ou ácido fluorídrico e ácido nítrico. A maioria dos metais fundidos não é umedecida nem reage com o carboneto de boro. O carboneto de boro também possui uma boa capacidade de absorção de nêutrons, característica não encontrada em outros materiais cerâmicos. O B4C possui a menor densidade entre diversas cerâmicas de blindagem comumente utilizadas, combinada com um alto módulo de elasticidade, o que o torna uma boa opção para materiais em blindagens militares e na área espacial. O principal problema do B4C é o seu alto custo (cerca de 10 vezes maior que o da alumina) e a sua fragilidade, o que limita sua ampla aplicação como blindagem protetora monofásica.
⑤Método de preparação de cerâmica à prova de balas.
| Tecnologia de preparação | Características do processo | |
| Vantagem | ||
| Sinterização por prensagem a quente | Com baixa temperatura e curto tempo de sinterização, é possível obter cerâmicas com grãos finos, alta densidade relativa e boas propriedades mecânicas. | |
| Sinterização sob pressão superalta | Obtém-se sinterização rápida a baixa temperatura, aumentando a taxa de densificação. | |
| sinterização por prensagem isostática a quente | Cerâmicas com alto desempenho e formas complexas podem ser preparadas por meio de baixa temperatura de sinterização, curto tempo de recozimento e contração uniforme do material. | |
| Sinterização por micro-ondas | Densificação rápida, aquecimento uniforme com gradiente zero, melhoria da estrutura do material, melhoria do desempenho do material, alta eficiência e economia de energia. | |
| Sinterização por plasma de descarga | O tempo de sinterização é curto, a temperatura de sinterização é baixa, o desempenho da cerâmica é bom e a densidade do material com gradiente de sinterização de alta energia é alta. | |
| Método de fusão por feixe de plasma | A matéria-prima em pó é totalmente fundida, não sendo limitada pelo tamanho das partículas, não necessitando de um fundente de baixo ponto de fusão, e o produto apresenta uma estrutura densa. | |
| Sinterização por reação | Tecnologia de fabricação próxima ao tamanho final, processo simples, baixo custo, permite preparar peças de grandes dimensões e formatos complexos. | |
| Sinterização sem pressão | O produto apresenta excelente desempenho em altas temperaturas, processo de sinterização simples e baixo custo. Existem diversos métodos de conformação adequados, que podem ser utilizados para peças grandes, complexas e espessas, sendo também apropriados para produção industrial em larga escala. | |
| Sinterização em fase líquida | Baixa temperatura de sinterização, baixa porosidade, grão fino, alta densidade, alta resistência. | |
| Tecnologia de preparação | Características do processo | |
| Desvantagem | ||
| Sinterização por prensagem a quente | O processo é mais complexo, os requisitos de materiais e equipamentos para os moldes são elevados, a eficiência da produção é baixa, o custo de produção é alto e o formato só pode ser obtido com produtos simples. | |
| Sinterização sob pressão superalta | Só é possível produzir itens com formatos simples, baixa produção, alto investimento em equipamentos, condições de sinterização complexas e alto consumo de energia. Atualmente, encontra-se apenas em fase de pesquisa. | |
| sinterização por prensagem isostática a quente | O custo do equipamento é elevado e o tamanho da peça a ser processada é limitado. | |
| Sinterização por micro-ondas | A tecnologia teórica precisa ser aprimorada, faltam equipamentos e ela ainda não foi amplamente aplicada. | |
| Sinterização por plasma de descarga | A teoria básica precisa ser aprimorada, o processo é complexo e o custo é alto, o que impede sua industrialização. | |
| Método de fusão por feixe de plasma | Os elevados requisitos de equipamento necessários para uma aplicação generalizada não foram alcançados. | |
| Sinterização por reação | O silício residual reduz as propriedades mecânicas em altas temperaturas, a resistência à corrosão e a resistência à oxidação do material. | |
| Sinterização sem pressão | A temperatura de sinterização é alta, há certa porosidade, a resistência é relativamente baixa e ocorre uma contração volumétrica de cerca de 15%. | |
| Sinterização em fase líquida | É propenso a deformações, grandes encolhimentos e apresenta dificuldade no controle da precisão dimensional. | |
| Cerâmica |
| AL2O3.B4 C .SiC |
| AL2O3 |
| AL2O3.B4 C .SiC |
| AL2O3 |
| AL2O3.B4 C .SiC |
| AL2O3 |
| B4 C .SiC |
| AL2O3.B4 C .SiC |
| .SiC |
Atualização de cerâmica à prova de balas
Embora o potencial de blindagem do carboneto de silício e do carboneto de boro seja muito grande, o problema da baixa tenacidade à fratura e da fragilidade das cerâmicas monofásicas não pode ser ignorado. O desenvolvimento da ciência e da tecnologia modernas impôs requisitos para a funcionalidade e a economia das cerâmicas à prova de balas: multifuncionalidade, alto desempenho, leveza, baixo custo e segurança. Portanto, nos últimos anos, especialistas e pesquisadores têm buscado alcançar o fortalecimento, a leveza e a economia das cerâmicas por meio de microajustes, incluindo sistemas compósitos de cerâmica multicomponente, cerâmicas com gradiente funcional, design de estrutura em camadas, etc., e tais blindagens seriam mais leves em comparação com as blindagens atuais, melhorando o desempenho de mobilidade das unidades de combate.
As cerâmicas com gradiente funcional apresentam mudanças regulares nas propriedades do material por meio de um design microscópico. Por exemplo, em sistemas compósitos de metal/cerâmica, como borido de titânio, titânio metálico e óxido de alumínio, carbeto de silício, carbeto de boro, nitreto de silício e alumínio metálico, o desempenho varia ao longo da espessura, ou seja, é possível obter cerâmicas à prova de balas com alta dureza e alta tenacidade.
As cerâmicas multifásicas nanométricas são compostas por partículas dispersas submicrométricas ou nanométricas adicionadas à matriz cerâmica. Exemplos incluem SiC-Si3N4-Al2O3 e B4C-SiC, que apresentam melhorias significativas em dureza, tenacidade e resistência. Há relatos de que países ocidentais estão estudando a sinterização de pós em nanoescala para preparar cerâmicas com tamanho de grão de dezenas de nanômetros, visando alcançar maior resistência e tenacidade. Espera-se que as cerâmicas à prova de balas representem um grande avanço nesse sentido.
Resumir
Sejam cerâmicas monofásicas ou multifásicas, os melhores materiais cerâmicos à prova de balas são indissociáveis do carboneto de silício e do carboneto de boro. Em especial, com o desenvolvimento da tecnologia de sinterização, as excelentes propriedades das cerâmicas de carboneto de boro estão se tornando cada vez mais evidentes, e suas aplicações na área de materiais à prova de balas serão ainda mais ampliadas.
Data da publicação: 14 de dezembro de 2023