Ceramic Bulletproof Series - Comparação dos principais materiais cerâmicos para blindagem
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 silício, e boreto de titânio. Entre eles, a cerâmica de óxido de alumínio (Al2O3), a cerâmica de carboneto de silício (SiC) e a cerâmica 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. Cerâmicas à prova de balas de carboneto de silício têm a maior dureza e melhor desempenho entre as três, mas também são muito mais caras do que os outros dois materiais. A dureza da cerâmica à prova de balas de carboneto de silício pode atingir 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
Cerâmicas de óxido de alumínio são uma série de materiais cerâmicos baseados em óxido de alumínio de alta temperatura (α-Al2O3) como a principal fase cristalina, e α-Al2O3 é a única variante de Al2O3 que existe naturalmente no mundo. Tem a estrutura mais compacta, a menor reatividade e as 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 roupas à prova de balas militares e policiais devido à sua superfície lisa, tamanho estável e baixo preço.
Desvantagens: Baixa resistência à flexão e tenacidade à fratura e baixa resistência ao choque térmico. Além disso, o desempenho do óxido de alumínio varia muito, principalmente dependendo dos parâmetros do processo, teor de impurezas, tamanho de partícula e temperatura de sinterização. Ao mesmo tempo, a alta densidade do óxido de alumínio não atende à tendência de blindagem leve.
2. Cerâmica de carboneto de silício
SiC tem 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. Por operação cíclica, a estrutura final é equivalente à estrutura tetraédrica do diamante composta por ligações Si-C, que exibe 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 as características de alto módulo, alta dureza e alta resistência específica.
Propriedades da cerâmica de carboneto de silício submetida a 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 | 4,00 | 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 amplamente utilizado com alta dureza, perdendo apenas para 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 atingido por uma bala, sua resistência ultra-alta pode resistir completamente à enorme energia cinética da bala e estilhaçá-la instantaneamente, mas também rachará ou até quebrará em pedaços no momento do impacto, o que torna a placa de cerâmica de carboneto de silício adequado apenas para certas áreas de blindagem. No entanto, muitos pesquisadores no campo da 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 muito a gama de aplicações do carboneto de silício no campo de proteção contra balas, tornando-o um material ideal para a fabricação de equipamentos à prova de balas.
3. Carboneto 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 por meio de ligações covalentes para formar uma estrutura relativamente estável. Ao mesmo tempo, seus elementos constituintes, carbono e boro, têm propriedades e raios atômicos muito semelhantes, resultando em B4C com 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 |
dvantages: dureza de alta temperatura quase constante e boas propriedades mecânicas. Ao mesmo tempo, sua densidade é a mais baixa entre várias cerâmicas de blindagem comumente usadas, e seu alto módulo de elasticidade a torna uma boa escolha para blindagem militar e materiais espaciais.
Desvantagens: Devido à natureza altamente covalente das ligações covalentes entre os átomos de boro e carbono, sua sinterização é ruim. Portanto, é necessário utilizar altas temperaturas de sinterização muito próximas do ponto de fusão do material. Essas altas temperaturas levam a poros residuais e subsequente espaçamento de grãos, que deterioram as propriedades e o desempenho do material. Portanto, geralmente é usada prensagem a quente ou prensagem isostática a quente, o que leva a custos de fabricação mais altos.
