Ceramic Bulletproof Series - Jämförelse av huvudsakliga keramiska material för skottsäkring
De viktigaste keramiska materialen som kan användas som skottsäkra material är aluminiumoxid,kiselkarbid, borkarbid,kiselnitridoch titanborid. Bland dem är aluminiumoxidkeramik (Al2O3), kiselkarbidkeramik (SiC) och borkarbidkeramik (B4C) de mest använda. Skottsäker keramik av aluminiumoxid har låg hårdhet (HRA90) och hög densitet jämfört med de andra två, men är billigare. Kiselkarbid skottsäker keramik har den högsta hårdheten och bästa prestanda bland de tre, men är också mycket dyrare än de andra två materialen. Hårdheten hos skottsäkra keramer av kiselkarbid kan nå HRA92, och densiteten är bara 82 % av den för skottsäkra plåtar av aluminiumoxid, med ett måttligt pris och en mer allmänt använd användning.
Aluminiumoxidkeramik är en serie keramiska material baserade på högtemperatur aluminiumoxid (α-Al2O3) som huvudkristallfas, och α-Al2O3 är den enda varianten av Al2O3 som finns naturligt i världen. Den har den mest kompakta strukturen, lägsta reaktiviteten och de bästa elektrokemiska egenskaperna bland alla varianter och kan förbli stabil vid alla temperaturer.
Egenskaper hos aluminiumoxidkeram
| Al2O3-egenskap | Sintring |
| Densitet (g/cm3) | 3,6-3,95 |
| Böjhållfasthet (Mpa) | 200-400 |
| Youngs modul (Gpa） | 300-450 |
| Brottseghet(Mpa.m1/2） | 3,0-4,5 |
| Hårdhet (Gpa) | 12-18 |
Fördelar: Som första generationens keramiska material i det skottsäkra området är aluminiumoxid inte bara den starkaste och hårdaste av alla oxider, utan har också bra oxidationsbeständighet, kemisk tröghet och låg kostnad och är lätt att få tag på. Dessutom används sintrade produkter i stor utsträckning i olika pansarfordon och skottsäkra kläder för militär och polis på grund av deras släta yta, stabila storlek och låga pris.
Nackdelar: Låg böjhållfasthet och brottseghet samt låg motståndskraft mot termisk chock. Dessutom varierar prestandan hos aluminiumoxid mycket, främst beroende på processparametrar, föroreningshalt, partikelstorlek och sintringstemperatur. Samtidigt kan den höga densiteten av aluminiumoxid inte möta trenden med lätt rustning.
SiC har en unik kristallstruktur. Genom att använda en av de fyra kolatomerna som mitten och kiselatomerna som de parade atomerna väljs en av de fyra yttersta elektronerna för att paras ihop med den yttersta elektronen i den centrala kolatomen. Genom cyklisk drift är den slutliga strukturen ekvivalent med diamanttetraederstrukturen som består av Si-C-bindningar, som uppvisar extremt hög hårdhet. Samtidigt har denna struktur starka kovalenta bindningar och hög Si-C bindningsenergi, vilket gör att kiselkarbidmaterial har egenskaperna hög modul, hög hårdhet och hög specifik hållfasthet.
Egenskaper hos kiselkarbidkeramik under olika sintringsprocesser
| SIC Fastighet | Varmpressande sintring | Het isostatisk pressning | Reaktionssintring | Sparkplasmasintring |
| Densitet (g/cm3) | 3,25-3,28 | 3.01-3.13 | 3.02 | 3.12-3.20 |
| Böjhållfasthet (Mpa) | 500-730 | 366-950 | 260 | 420-850 |
| Youngs modul (Gpa） | 440-450 | - | 359 | 420-460 |
| Brottseghet(Mpa.m1/2） | 5,0-5,5 | 4,51-5,79 | 4.00 | 3,4-7,0 |
| Hårdhet (Gpa) | 20 | 10,5-20,0 | 17.23 | 19,8-32,7 |
Fördelar: Det är det mest använda icke-oxidkeramiska materialet med hög hårdhet, näst efter diamant, kubisk nitridbor och borkarbid. På grund av sin låga densitet och höga hårdhet är denna keramik mycket lämplig förballistiskt skydd, och ligger i mellanzonen mellan aluminiumoxid och borkarbid vad gäller mekaniska egenskaper, densitetsegenskaper, ballistiska egenskaper och appliceringskostnader.
Nackdelar: Den molekylära strukturen och egenskaperna hos kiselkarbid bestämmer dess lägre seghet. När den träffas av en kula kan dess ultrahöga styrka helt motstå kulans enorma kinetiska energi och omedelbart krossa kulan, men den kommer också att spricka eller till och med gå sönder i ögonblicket av stöten, vilket gör kiselkarbidskivan till keramisk platta endast lämplig för vissa områden av skottsäkring. Men många forskare inom materialmolekylär vetenskap säger för närvarande att den låga segheten hos kiselkarbid teoretiskt kan kompenseras för och övervinnas genom att kontrollera sintringsprocessen och keramiska fibrer. Detta kommer att avsevärt utöka användningsområdet för kiselkarbid inom området för skottsäkring, vilket gör det till ett idealiskt material för tillverkning av skottsäker utrustning.
3. Borkarbid keramisk
Borkarbidkristallen tillhör den romboedriska strukturtypen. I sin romboedriska struktur innehåller varje enhetscell 15 atomer, varav 12 atomer (B11C) bildar en ikosaeder, bildar en rumslig struktur, medan de återstående tre atomerna kombineras för att bilda en CBC-kedja. Ikosaedern är kopplad till CBC-kedjan genom kovalenta bindningar för att bilda en relativt stabil struktur. Samtidigt har dess beståndsdelar, kol och bor, mycket liknande egenskaper och atomradier, vilket resulterar i att B4C har några utmärkta egenskaper som andra icke-oxiderade keramer inte har.
Egenskaper hos borkarbid under olika sintringsprocesser
| B4C Fastighet | Varmpressande sintring | Het isostatisk pressning | Reaktionssintring | Sparkplasmasintring |
| Densitet (g/cm3) | 2,45-2,52 | 2,42-2,51 | 2,48-2,54 | 2,43-2,60 |
| Böjhållfasthet (Mpa) | 200-500 | 365-627 | 235-321 | 607-627 |
| Youngs modul (Gpa） | 440-460 | 393-444 | 330-426 | 403-590 |
| Brottseghet(Mpa.m1/2） | 2,0-4,7 | 2,4-3,3 | 4,1-4,4 | 2,8-5,8 |
| Hårdhet (Gpa) | 29-35 | 25-31 | 13,4-18,0 | 30,5-38,3 |
fördelar: Nästan konstant hårdhet vid hög temperatur och goda mekaniska egenskaper. Samtidigt är dess densitet den lägsta bland flera vanligt använda pansarkeramik, och dess höga elasticitetsmodul gör den till ett bra val för militär rustning och rymdmaterial.
Nackdelar: På grund av den mycket kovalenta naturen hos de kovalenta bindningarna mellan bor och kolatomer är dess sintring dålig. Därför är det nödvändigt att använda höga sintringstemperaturer mycket nära materialets smältpunkt. Dessa höga temperaturer leder till kvarvarande porer och efterföljande kornavstånd, vilket försämrar materialets egenskaper och prestanda. Därför används vanligtvis varmpressning eller varmisostatisk pressning, vilket leder till högre tillverkningskostnader.
