Os veículos militares são tradicionalmente feitos de aço blindado pesado e caro, mas de alta resistência. Os materiais compostos de cerâmica modernos são cada vez mais usados como proteção sem rolamentos para veículos de combate. As principais vantagens de tais materiais são custo significativamente menor, proteção aprimorada e redução de peso em mais da metade. Considere os materiais cerâmicos básicos modernos usados hoje para proteção balística
Devido à sua capacidade de suportar temperaturas muito elevadas, significativamente superiores às dos metais, dureza, maior resistência específica e rigidez específica, as cerâmicas são amplamente utilizadas para a fabricação de revestimentos para motores, componentes de foguetes, arestas de ferramentas, transparentes especiais e escudos opacos, que, é claro, estão entre as áreas prioritárias para o desenvolvimento de sistemas militares. No entanto, no futuro, o escopo de sua aplicação deve se expandir significativamente, uma vez que no âmbito da pesquisa e desenvolvimento realizado em muitos países do mundo, novas formas de aumentar a plasticidade, resistência a trincas e outras propriedades mecânicas desejáveis estão sendo buscadas por combinando uma base cerâmica com fibras de reforço na chamada matriz cerâmica materiais compósitos (KMKM). Além disso, as novas tecnologias de fabricação permitirão a produção em massa de produtos transparentes de alta qualidade e muito duráveis, de formas complexas e tamanhos grandes, a partir de materiais que transmitem ondas visíveis e infravermelhas. Além disso, a criação de novas estruturas a partir da nanotecnologia possibilitará a obtenção de materiais duráveis e leves, superaquecidos, quimicamente resistentes e, ao mesmo tempo, praticamente indestrutíveis. Essa combinação de propriedades é hoje considerada mutuamente exclusiva e, portanto, muito atraente para aplicações militares.
Materiais compostos de matriz cerâmica (KMKM)
Como seus análogos de polímero, os CMCs consistem em uma substância básica, chamada matriz, e um enchimento de reforço, que são partículas ou fibras de outro material. As fibras podem ser contínuas ou discretas, orientadas aleatoriamente, dispostas em ângulos precisos, entrelaçadas de uma maneira especial para obter maior resistência e rigidez em determinadas direções ou distribuídas uniformemente em todas as direções. No entanto, seja qual for a combinação de materiais ou orientação da fibra, a ligação entre a matriz e o componente de reforço é crítica para as propriedades do material. Como os polímeros são menos rígidos do que o material que os reforça, a ligação entre a matriz e as fibras geralmente é forte o suficiente para permitir que o material resista à flexão como um todo. Porém, no caso do CMCM, a matriz pode ser mais rígida do que as fibras de reforço de forma que a força de ligação, igualmente otimizada para permitir uma ligeira deslocalização da fibra e da matriz, ajude a absorver a energia de impacto, por exemplo, e evitar o desenvolvimento de fissuras isso, de outra forma, levaria a uma destruição frágil e divisão. Isso torna o CMCM muito mais viscoso em comparação com a cerâmica pura, e esta é a mais importante das propriedades de peças móveis altamente carregadas, por exemplo, peças de motores a jato.
Lâminas de turbina leves e quentes
Em fevereiro de 2015, a GE Aviation anunciou testes bem-sucedidos do que chama de “o primeiro kit CMC não estático do mundo para um motor de aeronave”, embora a empresa não tenha divulgado os materiais usados para a matriz e o material de reforço. Estamos falando de pás de turbina de baixa pressão em um modelo experimental do motor turbofan F414, cujo desenvolvimento visa fornecer mais confirmação da conformidade do material com os requisitos declarados para operação em altas cargas de choque. Esta atividade faz parte do Programa de Demonstração de Motor Autoadaptativo de Próxima Geração do Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD), no qual a GE está colaborando com o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA. O objetivo do programa AETD é fornecer tecnologias-chave que possam ser implementadas em motores de caças de sexta geração e, a partir de meados da década de 2020, em motores de aeronaves de quinta geração, como o F-35. Os motores adaptativos serão capazes de ajustar o aumento de pressão e a razão de desvio em vôo para obter o empuxo máximo durante a decolagem e em combate, ou a eficiência máxima de combustível no modo de vôo de cruzeiro.
A empresa destaca que a introdução de peças rotativas de CMC nas partes “mais quentes e carregadas” de um motor a jato representa um avanço significativo, já que antes a tecnologia permitia o uso de CMC apenas para a fabricação de peças estacionárias, por exemplo, um cobertura da turbina de alta pressão. Durante os testes, as lâminas da turbina KMKM no motor F414 passaram por 500 ciclos - da velocidade de marcha lenta ao empuxo de decolagem e vice-versa.
As lâminas da turbina são muito mais leves do que as lâminas convencionais de liga de níquel, o que permite que os discos de metal aos quais estão fixadas sejam menores e mais leves, disse a empresa.
“A mudança das ligas de níquel para a cerâmica rotativa dentro do motor é um grande salto em frente. Mas é pura mecânica”, disse Jonathan Blank, chefe de CMC e aglutinantes de polímero da GE Aviation. - Lâminas mais leves criam menos força centrífuga. Isso significa que você pode retrair discos, rolamentos e outras peças. A KMKM tornou possível fazer mudanças revolucionárias no design de um motor a jato”.
O objetivo do programa AETD é reduzir o consumo específico de combustível em 25%, aumentar a autonomia de vôo em mais de 30% e aumentar o empuxo máximo em 10% em comparação com os caças de 5ª geração mais avançados. “Um dos maiores desafios na mudança de componentes CMC estáticos para componentes rotativos é o campo de tensão no qual eles devem operar”, disse Dan McCormick, gerente do programa Advanced Combat Engine da GE Aviation. Ao mesmo tempo, ele acrescentou que testar o motor F414 produziu resultados importantes que serão usados no motor de ciclo adaptativo. “Uma pá de turbina CMC de baixa pressão pesa três vezes menos que a pá de metal e substitui, além disso, no segundo modo econômico, não há necessidade de resfriar a pá do CMC com ar. A lâmina agora será mais aerodinamicamente eficiente, pois não há necessidade de bombear todo esse ar de resfriamento por ela."
Os materiais KMKM, nos quais a empresa afirma ter investido mais de um bilhão de dólares desde que começou a trabalhar neles no início dos anos 90, podem suportar temperaturas centenas de graus mais altas do que as ligas de níquel tradicionais e se distinguem pelo reforço de fibra de carboneto de silício em uma matriz cerâmica., o que aumenta sua resistência ao impacto e resistência à rachadura.
A GE parece ter feito um trabalho muito difícil nessas lâminas de turbina. Na verdade, algumas das propriedades mecânicas do KMKM são muito modestas. Por exemplo, a resistência à tração é comparável à resistência à tração do cobre e ligas de alumínio baratas, o que não é muito bom para peças sujeitas a grandes forças centrífugas. Além disso, apresentam baixa deformação na ruptura, ou seja, alongam-se ligeiramente na ruptura. No entanto, essas deficiências parecem ter sido superadas, e o baixo peso desses materiais definitivamente deu uma contribuição importante para a vitória da nova tecnologia.
Armadura modular com nanocerâmica para o tanque LEOPARD 2
Contribuição de armadura composta
Embora as tecnologias de proteção, que são uma combinação de camadas de metal, compostos de polímero reforçado com fibra e cerâmicas, estejam bem estabelecidas, a indústria continua a desenvolver materiais compostos cada vez mais complexos, mas muitos dos detalhes desse processo são cuidadosamente ocultados. Morgan Advanced Materials é bem conhecido no campo, anunciando um prêmio na conferência de Veículos Blindados XV em Londres no ano passado por sua tecnologia de defesa SAMAS. De acordo com Morgan, a proteção SAMAS amplamente utilizada em veículos do Exército Britânico é um material composto reforçado com materiais como vidro S-2, vidro E, aramida e polietileno, então formado em folhas e curado sob alta pressão: “As fibras podem ser combinadas com materiais híbridos de cerâmica-metal para atender a requisitos especiais de design e desempenho."
Segundo Morgan, a blindagem SAMAS com espessura total de 25 mm, utilizada para a fabricação de cápsulas de proteção da tripulação, pode reduzir o peso de veículos leves protegidos em mais de 1000 kg em comparação aos veículos com cápsula de aço. Outros benefícios incluem reparos mais fáceis com espessuras menores que 5 mm mais grossas e as propriedades inerentes do forro de estilhaçamento deste material.
Progresso explícito do espinélio
De acordo com o Laboratório de Pesquisa da Marinha dos EUA, o desenvolvimento e a produção de materiais transparentes à base de óxido de alumínio e magnésio (MgAI2O4), também conhecidos coletivamente como espinelas artificiais, estão em alta. Os espinéis há muito são conhecidos não apenas por sua resistência - espinélio de 0,25 "de espessura tem as mesmas características balísticas do vidro à prova de balas de 2,5" - mas também pela dificuldade de fazer peças grandes com transparência uniforme. No entanto, um grupo de cientistas desse laboratório inventou um novo processo de sinterização a baixa temperatura no vácuo, que permite obter peças com dimensões limitadas apenas pelo tamanho da prensa. Este é um grande avanço em comparação com os processos de fabricação anteriores, que começaram com o processo de fusão do pó original em um cadinho de fusão.
Um dos segredos do novo processo é a distribuição uniforme do aditivo de sinterização de fluoreto de lítio (LiF), que funde e lubrifica os grãos de espinela para que possam ser uniformemente distribuídos durante a sinterização. Em vez de misturar a seco o fluoreto de lítio e os pós de espinélio, o laboratório desenvolveu um método para revestir uniformemente as partículas de espinélio com fluoreto de lítio. Isso permite reduzir significativamente o consumo de LiF e aumentar a transmitância de luz em até 99% do valor teórico nas regiões visível e infravermelho médio do espectro (0,4-5 mícrons).
O novo processo, que permite a produção de óticas em diversos formatos, incluindo folhas que se encaixam confortavelmente nas asas de um avião ou drone, foi licenciado por uma empresa não identificada. As aplicações possíveis para espinélio incluem vidro blindado pesando menos da metade da massa do vidro existente, máscaras de proteção para soldados, ótica para lasers de última geração e vidros com sensores multiespectrais. Ao produzir em massa, por exemplo, vidros resistentes a rachaduras para smartphones e tablets, o custo dos produtos de espinélio diminuirá significativamente.
PERLUCOR - um novo marco em sistemas de proteção contra bala e desgaste
A CeramTec-ETEC desenvolveu a cerâmica transparente PERLUCOR há alguns anos com boas perspectivas para aplicações de defesa e civis. As excelentes propriedades físicas, químicas e mecânicas do PERLUCOR foram os principais motivos do sucesso da entrada no mercado deste material.
O PERLUCOR tem uma transparência relativa superior a 90%, é três a quatro vezes mais resistente e mais duro que o vidro normal, a resistência ao calor deste material é cerca de três vezes superior, o que permite a sua utilização a temperaturas até 1600 ° C, também tem uma resistência química extremamente elevada, o que permite a sua utilização com ácidos e álcalis concentrados. A PERLUCOR possui alto índice de refração (1, 72), o que permite fabricar objetivas óticas e elementos óticos de dimensões miniaturizadas, ou seja, obter dispositivos com grande magnificação, o que não pode ser alcançado com polímeros ou vidro. Os ladrilhos cerâmicos PERLUCOR têm um tamanho padrão de 90x90 mm; no entanto, CeramTec-ETEC desenvolveu uma tecnologia para a produção de chapas de formas complexas com base neste formato de acordo com as especificações do cliente. A espessura dos painéis pode, em casos especiais, ser décimos de milímetro, mas, via de regra, é de 2 a 10 mm.
O desenvolvimento de sistemas mais leves e mais finos de proteção transparente para o mercado de defesa está progredindo em um ritmo acelerado. Uma contribuição significativa para este processo é dada pela cerâmica transparente da empresa SegamTes, que faz parte dos sistemas de proteção de diversos fabricantes. Quando testado de acordo com STANAG 4569 ou APSD, a redução de peso é da ordem de 30-60 por cento.
Nos últimos anos, outra direção no desenvolvimento de tecnologias desenvolvidas pela SegatTes-ETEC tomou forma. As janelas dos veículos, especialmente em áreas rochosas e desérticas como o Afeganistão, estão sujeitas a impactos de pedras e arranhões causados pelo movimento das escovas do limpador em um para-brisa empoeirado e arenoso. Além disso, as características balísticas dos vidros resistentes a balas que foram danificados por impactos de pedras são reduzidas. Durante as hostilidades, os veículos com vidros danificados estão expostos a riscos graves e imprevisíveis. SegamTes-ETEC desenvolveu uma solução verdadeiramente inovadora e original para proteger o vidro deste tipo de desgaste. Uma camada fina (<1 mm) de revestimento cerâmico PERLUCOR na superfície do pára-brisa ajuda a resistir com sucesso a tais danos. Essa proteção também é adequada para instrumentos ópticos, como telescópios, lentes, equipamentos infravermelhos e outros sensores. As lentes planas e curvas feitas de cerâmica transparente PERLUCOR estendem a vida útil deste equipamento óptico altamente valioso e sensível.
A CeramTec-ETEC apresentou com sucesso um painel de porta de vidro à prova de bala e um painel de proteção resistente a arranhões e pedras no DSEI 2015 em Londres.
Nanocerâmica durável e flexível
Flexibilidade e resiliência não são qualidades inerentes à cerâmica, mas uma equipe de cientistas liderada pela professora de ciência dos materiais e mecânica Julia Greer, do California Institute of Technology, assumiu o problema. Os pesquisadores descrevem o novo material como "nanolattices cerâmicos tridimensionais regeneráveis, leves e resistentes". No entanto, este é o mesmo nome de um artigo publicado por Greer e seus alunos em uma revista científica alguns anos atrás.
O que está escondido embaixo é melhor ilustrado por um cubo de nanolattices de óxido de alumínio com várias dezenas de mícrons de tamanho, tirado com um microscópio eletrônico. Sob a ação da carga, ele encolhe em 85% e, ao ser removido, é restaurado ao seu tamanho original. Os experimentos também foram realizados com treliças consistindo de tubos de diferentes espessuras, sendo os tubos mais finos os mais fortes e elásticos. Com uma espessura de parede de tubo de 50 nanômetros, a rede colapsou e, com uma espessura de parede de 10 nanômetros, voltou ao seu estado original - um exemplo de como o efeito do tamanho aumenta a resistência de alguns materiais. A teoria explica isso pelo fato de que, com uma diminuição no tamanho, o número de defeitos nos materiais a granel diminui proporcionalmente. Com essa arquitetura da rede de tubos ocos, 99,9% do volume do cubo é ar.
A equipe do professor Greer cria essas estruturas minúsculas executando um processo semelhante à impressão 3D. Cada processo começa com um arquivo CAD que aciona dois lasers que "pintam" a estrutura em três dimensões, curando o polímero em pontos onde os feixes se amplificam em fase. O polímero não curado flui para fora da grade curada, que agora se torna o substrato para formar a estrutura final. Os pesquisadores então aplicam a alumina ao substrato usando um método que controla com precisão a espessura do revestimento. Finalmente, as extremidades da rede são cortadas para remover o polímero, deixando apenas a rede cristalina dos tubos ocos de alumina.
Força do aço, mas pesa como o ar
O potencial de tais materiais "projetados", que são em sua maioria ar por volume, mas são menos fortes como o aço, é enorme, mas difícil de compreender, então o professor Greer deu vários exemplos notáveis. O primeiro exemplo, balões dos quais o hélio é bombeado, mas ao mesmo tempo mantendo sua forma. A segunda, futura aeronave, cujo design pesa tanto quanto pesa seu modelo manual. O mais surpreendente é que, se a famosa ponte Golden Gate fosse feita de tais nanolattices, todos os materiais necessários para sua construção poderiam ser colocados (excluindo o ar) em uma palma humana.
Assim como as enormes vantagens estruturais desses materiais resistentes, leves e resistentes ao calor adequados para inúmeras aplicações militares, suas propriedades elétricas predeterminadas podem revolucionar o armazenamento e a geração de energia: “Essas nanoestruturas são muito leves, mecanicamente estáveis e, ao mesmo tempo, enormes em tamanho. superfícies, isto é, podemos usar em uma variedade de aplicações do tipo eletroquímico."
Isso inclui eletrodos extremamente eficientes para baterias e células de combustível, eles são um objetivo acalentado para fontes de alimentação autônomas, usinas de energia portáteis e transportáveis, bem como um verdadeiro avanço na tecnologia de células solares.
“Os cristais fotônicos também podem receber esse nome”, disse Greer. "Essas estruturas permitem que você manipule a luz de forma que possa capturá-la completamente, o que significa que você pode fazer células solares muito mais eficientes - você captura toda a luz e não tem perda de reflexão."
“Tudo isso sugere que a combinação do efeito do tamanho em nanomateriais e elementos estruturais nos permite criar novas classes de materiais com propriedades que não foram alcançáveis”, disse o professor Greer da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear na Suíça. "O maior desafio que enfrentamos é como aumentar a escala e passar do nano para o tamanho do nosso mundo."
Proteção de cerâmica transparente industrial
A IBD Deisenroth Engineering desenvolveu uma armadura de cerâmica transparente com desempenho balístico comparável à armadura de cerâmica opaca. Esta nova armadura transparente é cerca de 70% mais leve do que o vidro blindado e pode ser montada em estruturas com as mesmas características de impacto múltiplo (capacidade de resistir a múltiplos impactos) da armadura opaca. Isso permite não apenas reduzir drasticamente a massa de veículos com grandes janelas, mas também fechar todas as lacunas balísticas.
Para obter proteção de acordo com STANAG 4569 Nível 3, o vidro à prova de balas tem uma densidade superficial de aproximadamente 200 kg / m2. Com uma janela típica de um caminhão de três metros quadrados, a massa dos vidros blindados será de 600 kg. Ao substituir esses vidros à prova de balas por cerâmicas IBD, a redução de peso será de mais de 400 kg. A cerâmica transparente do IBD é um desenvolvimento adicional da cerâmica IBD NANOTech. O IBD teve sucesso no desenvolvimento de processos de colagem especiais que são usados para montar ladrilhos de cerâmica ("armadura de mosaico transparente") e, em seguida, laminar esses conjuntos em camadas estruturais fortes para formar grandes painéis de janela. Devido às características marcantes deste material cerâmico, é possível produzir painéis de blindagem transparentes com um peso significativamente menor. O suporte, em combinação com o laminado de NANO-Fibra Natural, aumenta ainda mais o desempenho balístico da nova proteção transparente devido à sua maior absorção de energia.
A empresa israelense OSG (Oran Safety Glass), respondendo aos níveis crescentes de instabilidade e tensão em todo o mundo, desenvolveu uma ampla gama de produtos de vidro à prova de balas. Eles são projetados especificamente para os setores de defesa e civil, militares, paramilitares, ocupações civis de alto risco, construção e indústrias automotivas. A empresa promove as seguintes tecnologias no mercado: soluções de proteção transparente, soluções de proteção balística, sistemas adicionais de blindagem transparente avançada, janelas visuais digitais, janelas de saída de emergência, janelas de cerâmica com tecnologia de display colorido, sistemas de luz indicadora integrados, pedras de proteção de vidro resistentes ao choque e, finalmente, a tecnologia anti-fragmentação ADI.
Os materiais transparentes OSG são constantemente testados em situações da vida real: repelindo ataques físicos e balísticos, salvando vidas e protegendo propriedades. Todos os materiais transparentes blindados foram criados de acordo com os principais padrões internacionais.
