Série Cerâmica à Prova de Balas - Comparação dos Principais Materiais Cerâmicos para Proteção à Prova de Balas
Os principais materiais cerâmicos que podem ser usados como materiais à prova de balas são óxido de aluminio,carboneto de silício, carboneto de boro,nitreto de silícioe boreto de titânio. Entre elas, as cerâmicas de óxido de alumínio (Al2O3), as cerâmicas de carboneto de silício (SiC) e as cerâmicas de carboneto de boro (B4C) são as mais utilizadas. As cerâmicas à prova de balas de óxido de alumínio têm baixa dureza (HRA90) e alta densidade em comparação com as outras duas, mas são mais baratas. A cerâmica à prova de balas de carboneto de silício tem a maior dureza e melhor desempenho entre as três, mas também é muito mais cara que os outros dois materiais. A dureza da cerâmica à prova de balas de carboneto de silício pode chegar a HRA92, e a densidade é de apenas 82% daquela das placas à prova de balas de óxido de alumínio, com um preço moderado e um uso mais amplamente aplicado.
1. Cerâmica de óxido de alumínio
A cerâmica de óxido de alumínio é uma série de materiais cerâmicos baseados em óxido de alumínio de alta temperatura (α-Al2O3) como principal fase cristalina, e α-Al2O3 é a única variante de Al2O3 que existe naturalmente no mundo. Possui a estrutura mais compacta, menor reatividade e melhores propriedades eletroquímicas entre todas as variantes e pode permanecer estável em todas as temperaturas.
Propriedades da cerâmica de óxido de alumínio
| Propriedade Al2O3 | Sinterização |
| Densidade (g/cm3） | 3,6-3,95 |
| Resistência à flexão (Mpa） | 200-400 |
| Módulo de Young (Gpa） | 300-450 |
| Resistência à fratura (Mpa.m1/2） | 3,0-4,5 |
| Dureza (Gpa） | 12-18 |
Vantagens: Como material cerâmico de primeira geração no campo à prova de balas, o óxido de alumínio não é apenas o mais forte e mais duro entre todos os óxidos, mas também possui boa resistência à oxidação, inércia química, baixo custo e é fácil de obter. Além disso, os produtos sinterizados são amplamente utilizados em vários veículos blindados e em roupas à prova de balas militares e policiais devido à sua superfície lisa, tamanho estável e baixo preço.
Desvantagens: Baixa resistência à flexão e à fratura e baixa resistência ao choque térmico. Além disso, o desempenho do óxido de alumínio varia muito, dependendo principalmente dos parâmetros do processo, teor de impurezas, tamanho das partículas e temperatura de sinterização. Ao mesmo tempo, a alta densidade do óxido de alumínio não consegue atender à tendência de armaduras leves.
2. Cerâmica de carboneto de silício
O SiC possui uma estrutura cristalina única. Usando um dos quatro átomos de carbono como centro e átomos de silício como átomos emparelhados, um dos quatro elétrons mais externos é selecionado para emparelhar com o elétron mais externo do átomo de carbono central. Pela operação cíclica, a estrutura final é equivalente à estrutura do tetraedro de diamante composta por ligações Si-C, que apresenta dureza extremamente alta. Ao mesmo tempo, esta estrutura possui fortes ligações covalentes e alta energia de ligação Si-C, fazendo com que os materiais de carboneto de silício tenham características de alto módulo, alta dureza e alta resistência específica.
Propriedades da cerâmica de carbeto de silício sob diferentes processos de sinterização
| Propriedade SIC | Sinterização por prensagem a quente | Prensagem isostática a quente | Sinterização de reação | Sinterização por plasma de faísca |
| Densidade (g/cm3） | 3,25-3,28 | 3.01-3.13 | 3.02 | 3.12-3.20 |
| Resistência à flexão (Mpa） | 500-730 | 366-950 | 260 | 420-850 |
| Módulo de Young (Gpa） | 440-450 | - | 359 | 420-460 |
| Resistência à fratura (Mpa.m1/2） | 5,0-5,5 | 4,51-5,79 | 4h00 | 3,4-7,0 |
| Dureza (Gpa） | 20 | 10,5-20,0 | 17.23 | 19,8-32,7 |
Vantagens: É o material cerâmico não óxido mais utilizado com alta dureza, perdendo apenas para o diamante, nitreto cúbico de boro e carboneto de boro. Devido à sua baixa densidade e alta dureza, esta cerâmica é muito adequada paraproteção balística, e está na zona intermediária entre o óxido de alumínio e o carboneto de boro em termos de propriedades mecânicas, propriedades de densidade, propriedades balísticas e custos de aplicação.
Desvantagens: A estrutura molecular e as características do carboneto de silício determinam sua menor tenacidade. Quando atingida por uma bala, sua resistência ultra-alta pode resistir completamente à enorme energia cinética da bala e quebrá-la instantaneamente, mas também irá rachar ou até mesmo quebrar em pedaços no momento do impacto, o que torna a placa cerâmica de carboneto de silício adequado apenas para certas áreas de proteção contra balas. No entanto, muitos pesquisadores na área de ciência molecular de materiais afirmam atualmente que a baixa tenacidade do carboneto de silício pode ser teoricamente compensada e superada pelo controle do processo de sinterização e preparação da fibra cerâmica. Isso expandirá enormemente a gama de aplicações do carboneto de silício na área de proteção contra balas, tornando-o um material ideal para a fabricação de equipamentos à prova de balas.
3.Carbeto de Boro cerâmica
O cristal de carboneto de boro pertence ao tipo de estrutura romboédrica. Em sua estrutura romboédrica, cada célula unitária contém 15 átomos, dos quais 12 átomos (B11C) formam um icosaedro, formando uma estrutura espacial, enquanto os três átomos restantes se combinam para formar uma cadeia CBC. O icosaedro está conectado à cadeia CBC através de ligações covalentes para formar uma estrutura relativamente estável. Ao mesmo tempo, seus elementos constituintes, carbono e boro, possuem propriedades e raios atômicos muito semelhantes, fazendo com que o B4C tenha algumas propriedades excelentes que outras cerâmicas não-óxidos não possuem.
Propriedades do Carboneto de Boro sob diferentes processos de sinterização
| Propriedade B4C | Sinterização por prensagem a quente | Prensagem isostática a quente | Sinterização de reação | Sinterização por plasma de faísca |
| Densidade (g/cm3） | 2,45-2,52 | 2,42-2,51 | 2,48-2,54 | 2,43-2,60 |
| Resistência à flexão (Mpa） | 200-500 | 365-627 | 235-321 | 607-627 |
| Módulo de Young (Gpa） | 440-460 | 393-444 | 330-426 | 403-590 |
| Resistência à fratura (Mpa.m1/2） | 2,0-4,7 | 2,4-3,3 | 4.1-4.4 | 2,8-5,8 |
| Dureza (Gpa） | 29-35 | 25-31 | 13,4-18,0 | 30,5-38,3 |
vantagens: Dureza quase constante em alta temperatura e boas propriedades mecânicas. Ao mesmo tempo, sua densidade é a mais baixa entre várias cerâmicas de armadura comumente usadas, e seu alto módulo de elasticidade o torna uma boa escolha para armaduras militares e materiais espaciais.
Desvantagens: Devido à natureza altamente covalente das ligações covalentes entre os átomos de boro e carbono, sua sinterização é pobre. Portanto, é necessário utilizar altas temperaturas de sinterização muito próximas do ponto de fusão do material. Estas altas temperaturas levam a poros residuais e subsequente espaçamento de grãos, que deterioram as propriedades e o desempenho do material. Portanto, geralmente é utilizada prensagem a quente ou prensagem isostática a quente, o que leva a custos de fabricação mais elevados.
