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碳化硅技术详解-8 玻璃键合SiC陶瓷金属复合技术的发展

日期:2024-02-22 浏览:145


4.2 玻璃键合SiC陶瓷金属复合技术的发展

最初由 MC2 Pty Ltd. 于 2000 年代初期申请的玻璃键合碳化硅陶瓷金属复合材料 (GBSC-CMC) 概念专利,后来因 MC2 Pty Ltd.、澳大利亚国防科学技术组织 (DSTO) 和美国陆军研究实验室 (ARL) 之间的三方测试协议谈判开始而撤回。 该专利最终在 2006 年以不变的形式提交,优先日期为 2006 年,并于 2008 年作为 PCT 规范发布。 这个专利基本上是一个概念专利,代表了早期 GBSC-CMC 技术的初步形式:第一代 GBSC-CMC。 一代不是防弹级别的。

 2006 年提交的专利的关键特征如下 :

  • • 玻璃类型:钠钙玻璃或硼硅酸玻璃。

  • • 声明的玻璃含量:10-80 vol.%,理想值为 14-17 vol.%,尽管专利中列出的示例无法实现这一目标,玻璃含量约为 32 vol.%。

  • • 陶瓷颗粒类型:声明了许多陶瓷颗粒组合。 主要关注 SiC 和 B4C。

  • • 金属增强类型:连续金属线,理想情况下编织或焊接网,带或不带 Z 形销钉。

  • • 金属增强成分:声明了许多金属。 主要关注普通或不锈钢。

  • • 成型方法:陶瓷颗粒/玻璃混合物。 引用的成型方法是无压烧结、在钢或砂模中熔铸,或热压。

2006 年专利文件中描述的技术仅是概念性的,被称为 ‘第一代’ GBSC-CMC。 该专利提供的 GBSC-CMC 示例版本中可实现的玻璃含量为 32 vol.%。 根据专利,32% 的玻璃含量,对聚能装药的防弹重量效率仅为 1.7 Em,而且无法有效防御 7.62 穿甲弹芯。 因此,专利中描述的第 一代 GBSC-CMC 只能用于原理验证测试。 经过不断优化,后续第二代、第三代乃至第四代 GBSC-CMC 技术逐步成熟,成为性能卓越的金属增强陶瓷。 因此,第一代 GBSC-CMC 仅适用于原理验证测试,而第二代到第四代 GBSC-CMC 成功制备了高防弹等级的 GBSC-CMC,Em 值达到 3 或更高,玻璃含量仅为 14-17 vol.%。

第二代: 接下来,最初的 32 vol.% 玻璃含量得到了改进,创造了含有 25vol.% 玻璃的 GBSC-CMC。 这需要对玻璃相进行彻底重新设计,并在微观结构中引入细颗粒。 与无法击碎穿甲弹芯的第一代 AusSheld 不同,第二代 GBSC-CMC 能够做到这一点,但其对穿甲弹的防弹效率仅为第三代 GBSC-CMC 的一半。

第三代: 第三代 GBSC-CMC 是下一个飞跃,也是接受过弹道测试的最先进的 GBSC-CMC 版本。 玻璃含量低至 12 vol.%,经过广泛的防弹优化,确定 16 vol.% 为最佳比例。 此外,随着第三代 GBSC-CMC 的开发,还同时开发了相关的试点批量生产工艺,使 GBSC-CMC 砖的大规模批量生产成为可能,生产过程经过优化,实现完全自动化和成本效益。 今天的重点是防弹效率和低成本批量生产。 具体而言,第三代 GBSC-CMC 的三个关键问题是:

  • • 材料本身以及在极低玻璃含量和高防弹效率下生产它的基础。 需要相互优化陶瓷颗粒的表面特性和玻璃组成。

  • • 高度工程化的玻璃的化学成分。

  • • 相关的批量生产自动化制造工艺。

优化后的第三代 GBSC-CMC 玻璃含量为 12 至 20 vol.%,理想值为 16 vol.% (最佳比例)。 弹道测试表明,任何高于 20 vol.% 的玻璃都无法满足防弹要求。 玻璃含量为 25 vol.% 时,防弹性能为 16 vol.% 的一半,32 vol.% 时则仅剩四分之一。 “近在咫尺,却远在天边” 这句话恰好适用于 GBSC-CMC 的玻璃含量。 利用原始 GBSC-CMC 专利 中的信息,专家可以生产出玻璃含量约为 32 vol。% 的原始 GBSC-CMC。 从 32 vol.% 降低到 16 vol.% 玻璃,看似只是减少一半,但对于 MC2 Pty Ltd 来说,却花费了从 1990 年代到 2010 年代的时间和巨额资金。 这是因为,实现这一目标需要全面优化三个关键因素,尤其是以下列表中的第 1 和第 2 因素,它们相互关联。 然而,优化第 1 和第 2 因素还不够。 没有优化第 3 因素,GBSC-CMC 就只能在实验室生产,无法实现工业规模的成本效益生产。

1. 玻璃成分。

2. 实现最小玻璃含量的最佳玻璃-陶瓷相互作用加工工艺。

3. 陶瓷成型工艺。

这比开发 2006 年 GBSC-CMC 概念专利中的 “第一代” 32 vol.% 玻璃 “间断级” 材料要难上几个数量级。 但最终还是实现了这一目标,并在弹道方面进行了验证。

第四代: 第四代 GBSC-CMC 将 GBSC-CMC 的生产工艺和微观结构设计提升到了迄今为止的最高水平。 虽然并未进行过弹道测试,但与第三代相比,进行了磨损测试,结果证明其性能显着优异(参见第7 节)。

最后,GBSC-CMC 砖的厚度没有限制,仅取决于成型设备的容量。 因此,GBSC-CMC 还可以制成各种尺寸,从薄薄的车辆装甲砖到用于陆基掩体或海军舰船武器的超厚材料块。


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