Kerámia golyóálló sorozat – A főbb golyóálló kerámiaanyagok összehasonlítása
A főbb golyóálló anyagként használható kerámiaanyagok a következők alumínium-oxid,szilícium-karbid, bór-karbid,szilícium-nitridés titán-borid. Közülük az alumínium-oxid kerámiák (Al2O3), a szilícium-karbid kerámiák (SiC) és a bór-karbid kerámiák (B4C) a legszélesebb körben használtak. Az alumínium-oxid golyóálló kerámiák a másik kettőhöz képest alacsony keménységgel (HRA90) és nagy sűrűséggel rendelkeznek, de olcsóbbak. A szilícium-karbid golyóálló kerámiák a legnagyobb keménységgel és a legjobb teljesítménnyel rendelkeznek a három anyag közül, de jóval drágábbak is, mint a másik két anyag. A szilícium-karbid golyóálló kerámiák keménysége elérheti a HRA92-t, sűrűsége pedig csak 82%-a az alumínium-oxid golyóálló lemezekének, mérsékelt ár és szélesebb körben alkalmazott felhasználás mellett.
Az alumínium-oxid kerámiák olyan kerámiaanyagok sorozata, amelyek magas hőmérsékletű alumínium-oxidon (α-Al2O3) mint fő kristályfázison alapulnak, és az α-Al2O3 az Al2O3 egyetlen változata, amely természetesen létezik a világon. A legkompaktabb szerkezettel, a legalacsonyabb reakcióképességgel és a legjobb elektrokémiai tulajdonságokkal rendelkezik az összes változat közül, és minden hőmérsékleten stabil marad.
Az alumínium-oxid kerámia tulajdonságai
| Al2O3 tulajdonság | Szinterezés |
| Sűrűség (g/cm3) | 3,6-3,95 |
| Hajlítószilárdság (Mpa) | 200-400 |
| Young-modulus (Gpa) | 300-450 |
| Törési szívósság (Mpa.m1/2) | 3,0-4,5 |
| Keménység (Gpa) | 12-18 |
Előnyök: A golyóálló területen az első generációs kerámiaanyagként az alumínium-oxid nemcsak a legerősebb és legkeményebb az összes oxid közül, hanem jó oxidációállósággal, kémiai tehetetlenséggel és alacsony költséggel is rendelkezik, és könnyen beszerezhető. Ezenkívül a szinterezett termékeket széles körben használják különféle páncélozott járművekben, valamint katonai és rendőrségi golyóálló ruházatban sima felületük, stabil méretük és alacsony áruk miatt.
Hátrányok: Alacsony hajlítószilárdság és törési szilárdság, valamint alacsony hősokkállóság. Ezenkívül az alumínium-oxid teljesítménye nagymértékben változik, főként a folyamat paramétereitől, a szennyeződéstartalomtól, a részecskemérettől és a szinterezési hőmérséklettől függően. Ugyanakkor az alumínium-oxid nagy sűrűsége nem felel meg a könnyű páncélzat trendjének.
A SiC egyedülálló kristályszerkezettel rendelkezik. A négy szénatom egyikét használva középpontként és a szilíciumatomot párosított atomként, a négy legkülső elektron közül az egyiket úgy választják ki, hogy a központi szénatom legkülső elektronjával párosuljon. Ciklikus működéssel a végső szerkezet egyenértékű a Si-C kötésekből álló gyémánt tetraéder szerkezettel, amely rendkívül nagy keménységet mutat. Ugyanakkor ez a szerkezet erős kovalens kötésekkel és nagy Si-C kötési energiával rendelkezik, így a szilícium-karbid anyagok nagy modulussal, nagy keménységgel és nagy fajlagos szilárdsággal rendelkeznek.
A szilícium-karbid kerámia tulajdonságai különböző szinterezési eljárások során
| SIC tulajdonság | Melegen sajtolt szinterezés | Meleg izosztatikus préselés | Reakciós szinterezés | Szikraplazma szinterezés |
| Sűrűség (g/cm3) | 3,25-3,28 | 3,01-3,13 | 3.02 | 3,12-3,20 |
| Hajlítószilárdság (Mpa) | 500-730 | 366-950 | 260 | 420-850 |
| Young-modulus (Gpa) | 440-450 | - | 359 | 420-460 |
| Törési szívósság (Mpa.m1/2) | 5,0-5,5 | 4,51-5,79 | 4.00 | 3,4-7,0 |
| Keménység (Gpa) | 20 | 10,5-20,0 | 17.23 | 19,8-32,7 |
Előnyök: Ez a legszélesebb körben használt nem oxidos kerámia anyag, nagy keménységgel, csak a gyémánt, a köbös nitrid bór és a bór-karbid után. Alacsony sűrűsége és nagy keménysége miatt ez a kerámia kiválóan alkalmasballisztikai védelem, és az alumínium-oxid és a bór-karbid közötti köztes zónában található a mechanikai tulajdonságok, a sűrűség, a ballisztikai tulajdonságok és az alkalmazási költségek tekintetében.
Hátrányok: A szilícium-karbid molekulaszerkezete és jellemzői meghatározzák alacsonyabb szívósságát. A golyó eltalálásakor rendkívül nagy szilárdsága teljesen ellenáll a golyó hatalmas mozgási energiájának, és azonnal összetöri a golyót, de az ütközés pillanatában megreped vagy akár darabokra is törik, amitől a szilícium-karbid kerámia lemez csak a golyóállóság bizonyos területeire alkalmas. Az anyagmolekuláris tudomány területén számos kutató azonban jelenleg azt állítja, hogy a szilícium-karbid alacsony szívóssága elméletileg kompenzálható és leküzdhető a szinterezési folyamat és a kerámiaszál-előkészítés szabályozásával. Ez nagymértékben kibővíti a szilícium-karbid alkalmazási körét a golyóállóság területén, így ideális anyaggá válik a golyóálló berendezések gyártásához.
3.Bór-karbid kerámiai
A bór-karbid kristály a romboéderes szerkezettípusba tartozik. Romboéderes szerkezetében minden egységcella 15 atomot tartalmaz, amelyből 12 atom (B11C) ikozaédert alkot, és térszerkezetet alkot, míg a maradék három atom egyesülve CBC láncot alkot. Az ikozaéder kovalens kötéseken keresztül kapcsolódik a CBC-lánchoz, így viszonylag stabil szerkezetet alkot. Ugyanakkor az alkotóelemei, a szén és a bór nagyon hasonló tulajdonságokkal és atomsugárral rendelkeznek, így a B4C olyan kiváló tulajdonságokkal rendelkezik, amelyekkel más nem oxidos kerámiák nem rendelkeznek.
A bór-karbid tulajdonságai különböző szinterezési eljárások során
| B4C ingatlan | Melegen sajtolt szinterezés | Meleg izosztatikus préselés | Reakciós szinterezés | Szikraplazma szinterezés |
| Sűrűség (g/cm3) | 2,45-2,52 | 2,42-2,51 | 2,48-2,54 | 2,43-2,60 |
| Hajlítószilárdság (Mpa) | 200-500 | 365-627 | 235-321 | 607-627 |
| Young-modulus (Gpa) | 440-460 | 393-444 | 330-426 | 403-590 |
| Törési szívósság (Mpa.m1/2) | 2,0-4,7 | 2,4-3,3 | 4.1-4.4 | 2,8-5,8 |
| Keménység (Gpa) | 29-35 | 25-31 | 13,4-18,0 | 30,5-38,3 |
Előnyök: Szinte állandó magas hőmérsékleti keménység és jó mechanikai tulajdonságok. Ugyanakkor sűrűsége a legalacsonyabb számos általánosan használt páncélkerámia közül, magas rugalmassági modulusa pedig jó választássá teszi katonai páncélok és űranyagok számára.
Hátrányok: A bór és a szénatomok közötti kovalens kötések erősen kovalens jellege miatt szinterezése gyenge. Ezért az anyag olvadáspontjához nagyon közel magas szinterezési hőmérsékletet kell alkalmazni. Ezek a magas hőmérsékletek pórusmaradványokhoz és az azt követő szemcsetávolsághoz vezetnek, ami rontja az anyag tulajdonságait és teljesítményét. Ezért általában melegsajtolást vagy melegizosztatikus préselést alkalmaznak, ami magasabb gyártási költségekhez vezet.
