SE502012C2 - Sätt att bilda en keramisk komposit av kiselkarbid och aluminiumnitrid samt enligt sättet framställd komposit - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 502 012 väsentligt en söndersprucken projektil; dess anslag vid landningsom- råde ökas vilket tillåter en större volym av targetmaterialet att arbeta mot projektilen. 2 Fastän pansarsystem belagda med keramisk kiselkarbid har prestanda som är kända att vara överlägsna de flesta andra system används det inte för närvarande på lätt bepansrade stridsfordon av två huvud- orsaker. Den första är kostnaden; keramiska material med kiselkarbid med hög prestationsförmåga kostar nu i typiska fall omkring S50,00- $l00,00 per pound. Man är för närvarande ovillig att betala den resulterande höga kostnaden hos ett pansarsystem användande denna keramik med hög kostnad för användning vid bepansrade fordon med lätt vikt. Den andra orsaken är den typiska klena flerslag- prestandan hos keramiska system med kiselkarbid orsakad av den i högsta grad sköra beskaffenheten hos det keramiska materialet.

Pansarsystem belagda med keramisk kiselkarbid är i typiska fall uppbyggda med keramiska plattor eller tegel ("tiles"). Ett ballis- tiskt anslag på en tegelplatta är tillräckligt för att bryta denna tegelplatta, så att den inte kommer att förhindra en genomträngning, om den träffas en andra gång. Dessutom kan anslaget i den första tegelplattan ofta föranleda brott hos närliggande tegelplattor, redu- cerande deras prestationsförmåga så att de inte längre förhindrar projektilgenomträngning. Följaktligen begränsas flerslagprestandan, eller antalet projektiler som kan stoppas vid varje given area.

De keramiska kompositmaterialen enligt föreliggande uppfinning är primärt avsedda för användning såsom en lättvikts-bepansring för att avleda pansargenomträngande projektiler genom erosion och splittring av projektilen. Kompositmaterialet kan användas för andra ändamål, där det skulle utsättas för kännbar nötning, höga temperaturer, slippåverkan eller andra hårda slag.

Då de används i lättviktig pansar, är de keramiska kompositerna speciellt bildade och utförda för kompromissen mellan både ekonomi i 10 15 20 25 30 35 3 502 012 framställning och prestationsförmåga. Särskilt är kompositerna omfattande mikrostrukturer innehållande två eller tre faser vilka innefattar: kiselkarbid (SíC), aluminiumnitrid (AIN), eller en fast lösning av AlN och SiC.

Genom att rätt utvälja pulver och brännförhållanden, kan en av följande olika mikrostrukturtyper produceras: Typ 1 omfattar distinkta faser av SiC och AlN; Typ 2 omfattar en fast lösning av SiC och AIN; och Typ 3 innehåller AIN, eller SiC, eller både AIN och SiC såsom övrig fas(er) i en fast lösningsmatris av SiC och AlN.

Uppvärmningen kan antingen vara sintring eller varmpress och uppvärmningsförhållandena beträffande temperatur och tid är de styrande faktorerna för att uppnå den önskade mikrostrukturen. - |~~ -nya - i 1 _ ._ A - V . s!! .i _ __ _ Innan det keramiska kompositmaterialet enligt föreliggande uppfinning beskrives, skulle förmodligen en kort beskrivning av den föredragna användningen av materialet såsom pansar för att förhindra genom-« trängning av stål, wolfram och liknande genomträngande projektiler med hög hastighet vara till hjälp.

Såsom angetts ovan är det väl känt att överdrivet tungt pansar till militära stridsfordon är ej önskvärt, eftersom det sänker prestatio- nen hos fordonen. Då man använder en keramisk komposit av AlN och SiC har det fastställts, att kompositen inte bara är mycket lättare i vikt utan även kostar mindre än stål och kiselkarbid, då den besegrar samma ballistiska hot. Likaså visar en keramisk komposit av AlN och SiC, då den används som pansar, betydande seghet under ballis- tiskt slag, vilket ger stora korniga frakturer och stycken efter slag. Seghet visas även av den keramiska kompositen enligt före- 10 15 20 25 30 35 502 012 4 liggande uppfinning, eftersom dess ballistiska prestation är konstant vid alla sneda vinklar, dvs. sama motstånd mot genomträngning in- träffar, då pansaret sammanpressas medelst ett vapen, då det kontaktas vid 90' eller vid en vinkel, som är mindre än 90' mot ytan av pansaret. Det är väl känt att annat keramiskt pansar, såsom bor- karbid brytes på olika sätt då den sneda vinkeln ändras.

Det antas också, att de kemiska definitionerna på "lösning", "fas" och "residuum" kan vara till hjälp för att förstå uppfinningen.

"Lösning" definieras såsom en “enda homogen vätska, i fast fas eller gasfas, som är en blandning i vilken komponenterna "vätskor, gas, fasta ämnen, eller kombinationer därav" är enhetligt fördelade genom hela mixturen.

"Fas" definieras såsom "delar av ett fysikaliskt system (vätska, gas, fast ämne) som är homogent alltigenom, har definierbara gränser, och kan separeras fysikaliskt från andra faser.

"Residuum" avser en mineralförekomst bildad medelst en kemisk koncentration av överskott lämnat på platsen.

Dä det säges, att ett system (A) erbjuder bättre prestations-förmåga än ett annat system (8): betyder det antingen att minimivikten hos ett system (A) är mindre än det hos (B) då båda är avsedda att förhindra genomträngning av en projektil under identiska stötför- hällanden, eller att då båda systemen är av samma vikt, kan system (A) förhindra en given projektil från att tränga igenom under mer kännbara stötförhällanden än system (B) kan.

Såsom tidigare nämnts, är pansarsystem belagda med kiselkarbid då de används ensamma, för kostsamma och saknar flerslag-förmåga.

Den keramiska kompositen enligt föreliggande uppfinning bildas av en blandning av pulver av AlN och 1-99 volym% SiC. Det har fastställts, 10 15 20 25 30 35 s 502 012 att bara 1% av AIN är tillräckligt för att modifiera mikrostrukturen eftersom kornstorleken hos kompositen förfinas vid 1% och högre. Det har ocksa fastställts, att 75-95 volym% SiC ger högre brottseghet.

Pulvren blandas följt av pressning och sintring eller av värmepress- ning. Uppvärmningstemperaturen är vald beroende pa den önskade mikrostrukturen. För en typ 1 mikrostruktur, en blandning av AlN och SiC, förrättas uppvärmning i området 1600'-1800'C. För mikrostruktur enligt typ 2 eller 3, med en matris av en fast lösning av AlN och SiC, sträcker sig uppvärmningstemperaturen från omkring 1800' till 2300'C. En signifikant del av pulvrena reagerar vid denna högre temperatur, för att bilda en fast lösningsmatris, vilken komprimerar runt de oreagerade partiklarna.

De ovannämnda keramiska kompositerna enligt föreliggande uppfinning är avsedda att vända sig mot problemen enligt känd teknik vid keramiska pansarsystemlmed kiselkarbid, som diskuterats ovan. AIN har testats ballistiskt och befunnits ha omkring två tredjedelar av den ballistiska prestationsförmágan av SiC. Emellertid projekteras kost- naden av AIN att falla till nästan hälften av priset av SiC i en nära framtid, beroende på en stor marknadspotential i elektroniska applikationer. Tillägget av AIN till SiC minskar slutkostnaderna på tva sätt. För det första minskar medräknandet av den låga pulverkost- naden kostnaden av den slutliga produkten. För det andra tillåter medtagandet av AlN en signifikant reducering i processtemperaturen jämfört med SiC utan AlN. Mikrostrnkturen av typ 1, AlN/SiC-komposit- delar, med 38 volymprocent SiC, har varmpressats vid 1650'C jämfört med 1950'C, som i typiska fall erfordras utan AIN. Denna reducering i temperatur ökar signifikant livstiden hos det varmpressade grafitverktyget, resulterande i reducerad slutdelkostnad.

Beträffande flerslagprestandan, har A18 i ballistiska tester visat högre seghet jämfört med ren SiC. Detta demonstrerades bade med det skiktade gruset (jämfört med det hos SiC) hos AlN efter ballistiskt slag, och medelst den konstanta prestationsförmägan hos Alu över ett vinkelomrade vid attack av projektilerna. Den ballistiska presta- 10 15 20 25 30 35 502 012 s tionsförmågan av annan högpresterande keramik såsom borkarbid (B40) och ren SiC faller då keramiken pressas medelst projektiler vid vinklar som är mindre än 90' mot den keramiska ytan. Denna prestanda- sänkning orsakas av den omfattande frakturen och följande förlust i skärförhållanden hos mer ömtålig keramik. Den högre segheten hos AlN eliminerar denna pre- standasänkning. Matrisen med fast lösning i typ 2 och 3 enligt den föreslagna keramiska kompositen visar en seghet mellan den hos AlN och SiC. De icke reagerade partiklarna, som återstår i matrisen, ger ytterligare seghet i kompositen medelst sprickböjningsmekanismer vanliga i andra speciella keramiska kompositmaterial. Samma sprickböjningsmekanismer ger likaså mikro- strukturen av typ 1 större seghet än den hos ren SiC. Den föreslagna keramiska kompositen kommer att ha: tillräckligt, hög ballistisk prestanda för att tjänstgöra såsom lättviktiga pansarsystem; seghet så att problemen med begränsad flerslagprestanda väsentligen reduceras eller elimineras; och kostnader som är låga nog för att försvara användning i pansartillämpningar.

Den ballistiska prestationsförmågan, flerslagförmågan och fordringar- na på kostnad hos ett pansarsystem ger valet av den lämpliga keramiska kompositsammansättningen och mikrostrukturella typen. 'I'.ex. för den lägsta möjliga kostnaden bör en hög procentsats av AlN- komposit beredas för att bilda en ndkrostruktur av typ 1. Högre ballistiska prestationsfordringar bör erfordra att utformningen har högre SiC-innehåll med en mikrostruktur enligt typ 2 eller 3.

Typ 3 utformning bör användas för större seghet och flerslagpre- standa. Då den keramiska kompositen enligt föreliggande uppfinning -används såsom pansar, bildas den företrädesvis av aluminiumnitrid med 1-99 volym% kiselkarbid. Aluminiumnitrid och kiselkarbid mottages såsom pulver med en partikelstorlek av 0,5-5 um, vilka placeras i formar och antingen värmepressas tillsamans eller sintras till- sammans vid omkring 13,8 MPa (2000 psi) i 4-6 timmar vid omkring 1700°C. Aluminiumnitrid och kiselkarbid bildar en fast lösning, vilken då den nedkyles, år i form av hårda tegelplattor, som är sammanfogade med fordonsytan som skall skyddas. 10 15 20 25 30 1 502 012 Aluminiumnitrid har omkring tva tredjedels effekt av kiselkarbidens effekt för att stoppa pansargenomträngande projektiler jämfört med kiselkarbid ensamt. Emellertid kostar aluminiumnitrid, för närvaran- de, omkring en tredjedel av vad kiselkarbid kostar. kiselkarbid förbättrar, då den varmpressas med aluminiumnitrid, effekten hos pansaret medelst att öka projektilens erosionsegenskaper hos kompositen.

Fastän den primära avsedda användningen av den keramiska kompositen enligt föreliggande uppfinning är såsom pansar för militära fordon, vilket skall skydda mot pansargenomträngande ammunition, inses att kompositen kan användas för skärverktyg, nötningsdelar, munstycken, elektroniska komponenter, högtemperaturkomponenter och många andra tillämpningar ämnade att höja anslagsstyrkorna och/eller slitstyrkan.

Av den ovanstående beskrivningen är det uppenbart, att den keramiska kompositen enligt föreliggande uppfinning är tüldad av en utvald procentdel av kiselkarbid och aluminiumnitrid, som reagerar då den framställes för att bilda den keramiska kompositen. Mikrostrukturen med den fasta lösningen bildas genom att den framställes vid en högre temperatur jämfört med den blandade mikrostrukturen med individuell AIN och SiC-fas.

Fastän det visade bästa utföringssättet för att utföra föreliggande uppfinning har visats och beskrivits ovan, är det uppenbart att modifiering och variation kan göras utan att frångá vad som betraktas som uppfinningsföremålet.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 502 012 8 EBIEHISB!

1. Sätt att bilda en keramisk komposit av kiselkarbid och aluminiumnitrid att användas till pansar då den åtminstone delvis är bildad såsom en fast lösning, omfattande stegen: - blandning av kiselkarbid med aluminiumnitrid i pulveriserad form; och - uppvärmning och pressning av nämnda pulver tillsammans, k ä n n e t e c k n a t a v att nämnda pulver värmes och pressas tillsammans vid omkring 13,8 MPa (2000 psi) under det att de utsättes för en temperatur av mellan 1600'-1800' C i 4-6 timmar för att bilda en keramisk kompositpansar av fast lösning, vilken pansar har hög seghet och fler-slag-kapacitet.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att nämnda pulver företrädesvis pressas tillsammansi.omkring 4-6 timmar under det att de hálles vid omkring 1700'C.

3. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att bada pulvren är i nämnda pulveriserade form och har en partikelstorlek av omkring 0,5-5 um.

4. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att volympro- centhalten av kiselkarbidpulver i aluminiumnitrid är mellan 1-99%.

5. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att bada pulvren har en partikelstorlek av omkring 0,5-5 um och att nämnda pulver pressas tillsammans i omkring 4-6 timmar under det att de hålles vid omkring 1700'C för att bilda nämnda keramiska komposit av fast lösning.

6. Sätt enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t a v att volympro- centhalten av kiselkarbidpulver i aluminiumnitrid är mellan 1-99%. 10 15 20 » o q 502 012

7. Sätt enligt krav 6, k 3 n n e t e c k n a t a v att volympro- centhalten av kiselkarbid i aluminiumnitrid är företrädesvis mellan omkring 75-95%.

8. Keramisk komposit av hård fast lösning med hög seghet och fler- slag-kapacitet att användas till pansar, omfattande en blandning av kiselkarbidpulver och aluminiumnitridpulver varmpressade tillsammans vid 13,8 MPa (2000 psi), varvid nämnda pulver har varmpressats i sin pulveriserade form , där pulvren har en partikelstorlek av mellan 0,5-5 um, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda blandning har utsatts för nämnda tryck i omkring 4-6 timmar under en rådande temperatur av mellan 1600 '-1800'C.

9. Keramisk komposit enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d a v att volymprocenthalten kiselkarbidpulver i aluminiumnitridpulver är mellan 1-99%.

10. Keramisk komposit enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d a wr att volymprocenthalten kiselkarbidpulver i aluminiumnitrid- pulver är mellan 75-95%.