يُستخدم السيراميك في صناعة الصفائح الواقية من الرصاص

③ الأكثر استخدامًامضاد للرصاصمادة سيراميكية

منذ القرن الحادي والعشرين، تطورت السيراميك المضادة للرصاص بسرعة، وهناك أنواع عديدة منها، بما في ذلك الألومينا، وكربيد السيليكون، وكربيد البورون، ونيتريد السيليكون، وبوريد التيتانيوم، وما إلى ذلك، ومن بينها سيراميك الألومينا (Al₂O₃)، وسيراميك كربيد السيليكون (SiC)، وسيراميك كربيد البورون (B4C) هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع.

تتميز سيراميك الألومينا بأعلى كثافة، لكن صلابتها منخفضة نسبيًا، وعتبة المعالجة منخفضة، والسعر منخفض، ويتم تقسيمها وفقًا للنقاء إلى سيراميك ألومينا 85/90/95/99، وتزداد الصلابة والسعر المقابلان لها تباعًا.

مقارنة خصائص أنواع مختلفة من السيراميك المضاد للرصاص

تتميز سيراميك كربيد السيليكون بكثافة منخفضة نسبيًا وصلابة عالية، وهي سيراميك هيكلي فعال من حيث التكلفة، لذا فهي أيضًا السيراميك المضاد للرصاص الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الصين.

تتميز سيراميك كربيد البورون بأقل كثافة وأعلى صلابة بين هذه السيراميك، ولكن في الوقت نفسه، فإن متطلبات تقنية المعالجة الخاصة بها عالية جدًا أيضًا، حيث تتطلب تلبيدًا بدرجة حرارة عالية وضغط عالٍ، لذا فإن تكلفتها هي الأعلى بين هذه السيراميك الثلاثة.

بالمقارنة مع المواد الخزفية الثلاثة الأكثر شيوعًا المضادة للرصاص، تتميز خزفيات الألومينا المضادة للرصاص بأقل تكلفة، لكن أداءها المضاد للرصاص أقل بكثير من كربيد السيليكون وكربيد البورون. لذا، فإن وحدات الإنتاج المحلية الحالية للخزف المضاد للرصاص تعتمد على كربيد السيليكون وكربيد البورون، بينما تُعد خزفيات الألومينا نادرة. مع ذلك، يمكن استخدام بلورة الألومينا الأحادية لتحضير خزفيات شفافة، تُستخدم على نطاق واسع كمواد شفافة ذات خصائص ضوئية، وتُستخدم في المعدات العسكرية مثل أقنعة الجنود الفردية المضادة للرصاص، ونوافذ كشف الصواريخ، ونوافذ مراقبة المركبات، ومناظير الغواصات.

④ اثنان من أكثر المواد الخزفية المضادة للرصاص شيوعًا

سيراميك مضاد للرصاص مصنوع من كربيد السيليكون

تتميز الرابطة التساهمية في كربيد السيليكون بقوة عالية، وتحافظ على هذه القوة حتى في درجات الحرارة المرتفعة. هذه الخاصية البنيوية تمنح سيراميك كربيد السيليكون قوةً فائقة، وصلابةً عالية، ومقاومةً للتآكل، ومقاومةً للتآكل الكيميائي، وموصليةً حراريةً عالية، ومقاومةً جيدةً للصدمات الحرارية، وغيرها من الخصائص المميزة. في الوقت نفسه، يتميز سيراميك كربيد السيليكون بسعر معقول، مما يجعله من أكثر مواد الحماية الواعدة عالية الأداء.

تتمتع سيراميكات كربيد السيليكون بإمكانيات تطوير واسعة في مجال الحماية المدرعة، وتتنوع تطبيقاتها في مجال المعدات الفردية والمركبات الخاصة. عند استخدامها كمادة واقية للدروع، ونظرًا للتكلفة وظروف الاستخدام الخاصة وعوامل أخرى، يُفضل عادةً استخدام مجموعة صغيرة من ألواح السيراميك ولوحة خلفية مركبة مُلصقة لتشكيل لوحة هدف مركبة من السيراميك، وذلك للتغلب على فشل السيراميك الناتج عن إجهاد الشد، ولضمان أن اختراق المقذوف لا يُسبب سوى تحطيم قطعة واحدة دون إلحاق الضرر بالدرع بأكمله.

سيراميك مضاد للرصاص مصنوع من كربيد البورون

يُعدّ كربيد البورون من بين المواد فائقة الصلابة بعد الماس ونيتريد البورون المكعب، حيث تصل صلابته إلى 3000 كجم/مم². يتميز بكثافة منخفضة تبلغ 2.52 جم/سم³ فقط، أي ما يعادل ثلث كثافة الفولاذ. كما يتميز بمعامل مرونة عالٍ يصل إلى 450 جيجا باسكال، ونقطة انصهار عالية تبلغ حوالي 2447 درجة مئوية. يتميز أيضًا بمعامل تمدد حراري منخفض وموصلية حرارية عالية. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع كربيد البورون بثبات كيميائي جيد، ومقاومة عالية للتآكل في الأحماض والقلويات. في درجة حرارة الغرفة، لا يتفاعل مع الأحماض والقواعد ومعظم السوائل المركبة غير العضوية، باستثناء مزيج حمض الهيدروفلوريك وحمض الكبريتيك، ومزيج حمض الهيدروفلوريك وحمض النيتريك الذي يُسبب تآكلًا بطيئًا. كما أنه لا يتأثر بمعظم المعادن المنصهرة. يتميز كربيد البورون أيضًا بقدرة عالية على امتصاص النيوترونات، وهي ميزة غير متوفرة في المواد الخزفية الأخرى. يتميز كربيد البورون (B4C) بأقل كثافة بين العديد من أنواع السيراميك المستخدمة في صناعة الدروع، إلى جانب معامل مرونة عالٍ، مما يجعله خيارًا مناسبًا للمواد المستخدمة في الدروع العسكرية ومجالات الفضاء. لكن المشكلة الرئيسية في كربيد البورون تكمن في ارتفاع سعره (حوالي عشرة أضعاف سعر الألومينا) وهشاشته، مما يحد من استخدامه على نطاق واسع كدروع واقية أحادية الطور.

⑤ طريقة تحضير السيراميك المضاد للرصاص.

ترقية السيراميك المضاد للرصاص

على الرغم من الإمكانيات الهائلة لكربيد السيليكون وكربيد البورون في مجال مقاومة الرصاص، إلا أنه لا يمكن تجاهل مشكلة ضعف مقاومة الكسر وهشاشة السيراميك أحادي الطور. وقد فرض التطور العلمي والتقني الحديث متطلباتٍ على السيراميك المقاوم للرصاص من حيث الوظائف والاقتصاد، وهي: تعدد الوظائف، والأداء العالي، وخفة الوزن، وانخفاض التكلفة، والسلامة. ولذلك، يسعى الخبراء والباحثون في السنوات الأخيرة إلى تحقيق تعزيز السيراميك، وتخفيف وزنه، وخفض تكلفته من خلال التعديلات الدقيقة، بما في ذلك مركبات أنظمة السيراميك متعددة المكونات، والسيراميك ذي التدرج الوظيفي، وتصميم الهياكل الطبقية، وغيرها. ومن شأن هذه الدروع أن تكون أخف وزنًا من الدروع الحالية، وأن تُحسّن بشكلٍ ملحوظ من قدرة الوحدات القتالية على الحركة.

تُظهر الخزفيات المتدرجة وظيفيًا تغيرات منتظمة في خصائص المواد من خلال تصميمها المجهري. على سبيل المثال، في أنظمة مركبات المعدن/الخزف الأخرى، مثل بوريد التيتانيوم ومعدن التيتانيوم وأكسيد الألومنيوم، وكربيد السيليكون، وكربيد البورون، ونيتريد السيليكون ومعدن الألومنيوم، يتغير أداء التدرج على طول سمك المادة، أي تحضير خزفيات عالية الصلابة تتحول إلى خزفيات مضادة للرصاص عالية المتانة.

تتكون الخزفيات متعددة الأطوار النانومترية من جزيئات متناهية الصغر أو النانومترية تُضاف إلى الخزفيات الأساسية. ومن أمثلة هذه الخزفيات: SiC-Si3N4-Al2O3 وB4C-SiC، مما يُحسّن صلابة ومتانة وقوة الخزفيات بشكل ملحوظ. وتشير التقارير إلى أن الدول الغربية تُجري دراسات حول تلبيد المساحيق النانوية لتحضير خزفيات بحجم حبيبات يصل إلى عشرات النانومترات، بهدف تحقيق قوة ومتانة عاليتين، ومن المتوقع أن تُحقق الخزفيات المضادة للرصاص طفرة كبيرة في هذا المجال.

باختصار

سواءً كانت خزفيات أحادية الطور أو متعددة الأطوار، فإن أفضل مواد السيراميك المضادة للرصاص لا تنفصل عن كربيد السيليكون وكربيد البورون. وبالنسبة لكربيد البورون تحديدًا، فمع تطور تقنية التلبيد، تبرز خصائصه الممتازة بشكل متزايد، وسيُسهم ذلك في تطوير تطبيقاته في مجال المواد المضادة للرصاص.