세라믹 재료 분야의 연구 개발

세라믹 재료 분야의 연구 개발


군용 차량은 전통적으로 무겁고 값 비싸지 만 고강도의 갑옷 강철로 만들어졌습니다. 최신 세라믹 복합 재료는 전투 차량의 비 방위 보호로서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이러한 소재의 주된 이점은 훨씬 저렴한 비용, 개선 된 보호 및 2 배 이상의 무게 감소입니다. 탄도 보호를 위해 오늘날 사용되는 현대 기본 도재를 고려하십시오.



세라믹의 경도는 금속의 경도보다 훨씬 높고 비중이 가장 강하며 특정 강성을 지니고 있기 때문에 엔진 라이닝, 로켓 구성 요소, 공구의 절단 모서리, 특수 투명 및 불투명 보호 장치를 만드는 데 널리 사용됩니다. 군사 시스템 개발을위한 우선 순위 영역. 그러나 전 세계적으로 많은 국가에서 진행되고있는 연구 개발의 일환으로 향후 소성 세라믹의 강화 ​​섬유와 세라믹베이스의 결합으로 인해 연성, 균열 저항성 및 기타 바람직한 기계적 특성을 개선 할 수있는 새로운 방법을 모색하고 있습니다. 복합 재료 (KMKM). 또한, 새로운 제조 기술은 가시적 인 적외선을 전달하는 물질로 만들어진 복잡한 모양과 큰 크기의 매우 내구성 있고 고품질의 투명한 제품을 대량 생산할 수있게합니다. 또한 나노 기술을 사용하여 새로운 구조물을 만들면 내구성과 경량, 초 내열성, 내 화학성, 동시에 거의 파괴 할 수없는 물질을 얻을 수 있습니다. 이러한 속성의 조합은 오늘날 상호 배타적이며 군사 용도로는 매우 매력적입니다.


순찰 장갑차 제조에서 MASTIFF는 전통적인 금속뿐만 아니라 복합 도자기로 만든 갑옷을 사용했습니다

세라믹 매트릭스 복합 재료 (CMCM)

CMCM은 고분자 유사체와 마찬가지로 매트릭스라고 부르는 기본 물질과 다른 물질의 입자 또는 섬유 인 보강 충전재로 구성됩니다. 섬유는 일정한 방향으로 증가 된 강도와 강성 또는 모든 방향에서의 균일 한 분포를 얻기 위해 연속적 또는 이산 적, 무작위 적으로 배향 된, 정확한 각도로 놓인 특별한 방법으로 얽혀있을 수 있습니다. 그러나, 재료의 조합 또는 섬유의 배향이 아닌 것은 매트릭스와 보강 성분 사이의 연결이 재료의 특성에 중요합니다. 폴리머는 보강재에 비해 강성이 낮으므로 매트릭스와 섬유 사이의 연결은 일반적으로 재료가 전체적으로 구부러지지 않도록 강합니다. 그러나 CMCM의 경우, 매트릭스는 강화 섬유보다 뻣뻣하여 섬유와 매트릭스의 작은 "비편 재화"를 허용하는 유사한 방식으로 최적화 된 결합력은 충돌 에너지를 흡수하고 균열의 발생을 방지합니다 부서지기 쉬운 균열과 균열. 이로 인해 CMEC는 순수 세라믹에 비해 점성이 훨씬 높아지며, 이는 제트 엔진과 같은 고부하 무빙 부품의 특성 중 가장 중요합니다.

가볍고 뜨거운 터빈 블레이드

2 월, 2015에서, GE Aviation은 매트릭스 및 보강재에 사용 된 재료를 공개하지 않았지만 "항공 엔진 용 CMCM 부품의 세계 최초 비 정적 세트"라는 성공적인 테스트를 발표했습니다. 우리는 F414 터보 팬 엔진의 실험 샘플에서 저압 터빈 블레이드에 대해 이야기하고 있습니다.이 엔진의 개발은 높은 충격 하중에서의 작동에 대한 명시된 요구 사항을 준수 하는지를 확인하기 위해 고안되었습니다. 이 활동은 GE가 미국 공군 연구소와 협력하는 차세대자가 적응 엔진 AETD (Adaptive Engine Technology Demonstrator) 개발 프로그램의 일환으로 수행됩니다. AETD 프로그램의 목표는 여섯 번째 세대 전투기 엔진에서 구현 될 수 있고 다섯 번째 세대의 엔진 (예 : F-2020)에서 35-s의 중간에서 시작되는 핵심 기술을 제공하는 것입니다. 적응 형 엔진은 순항 비행 모드에서 이륙 및 전투 중 최대 추력 또는 최대 연료 효율을 얻기 위해 비행 중 압력 증가 정도 및 바이 패스 정도를 조절할 수 있습니다.

회사는 CMCM에서 제트 엔진의 "가장 뜨겁고 무겁게로드 된"부품으로 회전 부품을 도입하는 것이 이전의 기술로 고정 ​​부품 (예 : 고압 터빈 붕대) 제조에만 CMEC를 사용할 수 있었기 때문에 획기적인 발전이라고 강조합니다. 테스트 도중 F414 엔진의 CMCM 터빈 블레이드는 공회전 속도에서 이륙까지의 500 사이클을 거쳤습니다.

회사 측에 따르면 터빈 블레이드는 기존의 니켈 합금 블레이드보다 훨씬 가볍기 때문에 부착되는 금속 디스크를 작고 가볍게 만들 수 있습니다.

"니켈 합금에서 엔진 내부의 회전 세라믹으로의 전환은 정말로 큰 도약입니다. 그러나 이것은 순수한 역학입니다. "라고 GE Aviation의 KMTM 및 폴리머 바인더 책임자 인 Jonathan Blank는 말했습니다. - 가벼운 블레이드는 원심력을 덜 만듭니다. 즉, 디스크, 베어링 및 기타 부품을 줄일 수 있습니다. KMKM은 제트 엔진의 디자인에 혁명적 인 변화를 허용했습니다. "

AETD 프로그램의 목표는 특정 연료 소비량을 25 %로 줄이고 비행 범위를 30 % 이상 증가시키고 가장 발전된 10 세대 전투기에 비해 5 %만큼 최대 추력을 증가시키는 것입니다. "CMCM에서 회전 구성 요소로의 정적 구성 요소로의 전환에서 주요 문제 중 하나는 작동해야하는 스트레스 분야라고 할 수 있습니다."GE Aviation의 고급 전투 엔진 프로그램 관리자 인 Dan McCormick은 다음과 같이 말했습니다. 동시에 그는 F414 엔진 테스트가 적응 형 사이클 엔진에서 사용될 중요한 결과를 산출했다고 덧붙였습니다. "CMPM의 저압 터빈 블레이드는 교체되는 금속 블레이드보다 3 ​​배 정도 무게가 적고 두 번째 경제적 인 모드에서는 CMEC에서 공기로 블레이드를 냉각 할 필요가 없습니다. 블레이드는이 모든 냉각 공기를 통과시켜야 할 필요가 없기 때문에 공기 역학적 관점에서 보면 더욱 효율적입니다. "

90 초기에 작업을 시작한 이래 10 억 달러 이상을 투자 한 CMC의 재료는 기존의 니켈 합금보다 수백 ℃ 높은 온도에서 견딜 수 있으며 세라믹 매트릭스에서 탄화 규소 섬유를 보강하여 구별됩니다 그 충격 강도와 균열 저항을 증가시킵니다.



GE는이 터빈 블레이드에 꽤 열심히 노력한 것 같습니다. 결국, KMKM의 일부 기계적 성질은 매우 약하다. 예를 들어, 인장 강도는 구리 및 값싼 알루미늄 합금의 인장 강도와 유사하며, 큰 원심력을 가진 부품에는 그다지 좋지 않습니다. 또한 파손시 변형량이 적습니다. 파손되면 변형이 거의 없습니다. 그러나 이러한 단점은 극복 된 것으로 보이며 이러한 물질의 질량이 적어 신기술의 승리에 중요한 기여를했습니다.


오하이오 GE 공장의 테스트 벤치에서 내부 모터 회로 ADVENT (ADaptive Versatile ENgine Technology - 자기 적응성 범용 모터 기술)


탱크 용 나노 세라믹이 장착 된 모듈 형 갑옷 LEOPARD 2

복합 갑옷의 기여도

금속, 섬유 강화 폴리머 복합 재료 및 세라믹의 조합 인 보호 기술이 잘 발달되어 있지만, 산업은 계속해서 점점 더 복잡한 복합 재료를 개발하고 있지만이 과정의 많은 부분은 신중하게 숨겨져 있습니다. Morgan Advanced Materials는 작년에 런던의 장갑차 XV 컨퍼런스에서 SAMAC 보호 기술에 대한 상을 수상한이 분야의 유명한 회사입니다. 영국 육군 기계에 널리 사용되는 Morgan에 따르면 SAMAC 보호는 S-2 유리, E-Glass, 아라미드 및 폴리에틸렌과 같은 재료로 강화 된 복합 소재로 시트로 만들어 고압 하에서 경화됩니다. "섬유는 결합 될 수 있습니다 특정 디자인 및 성능 요구 사항을 충족시키기 위해 하이브리드 세라믹 금속 소재를 사용합니다. "

Morgan에 따르면, 25 mm의 전체 두께를 가진 SAMAC 갑옷은 승무원 보호 캡슐을 만드는 데 사용되며, 강철 캡슐이있는 기계에 비해 1000 kg 이상 경량 보호 기계의 무게를 줄일 수 있습니다. 다른 이점으로는 5 mm 미만의 두께 증가와이 스플라인 블록의 고유 한 특성을 이용한 간소화 된 수리가 있습니다.

명시 적 스피넬 진행률

미 해군의 연구실에 따르면, 인공 스피넬의 일반 이름으로도 알려진 마그네슘 알루미나 (MgAI2O4)를 기반으로 한 투명한 물질의 개발 및 생산이 호황을 누리고있다. 스피넬은 내구성뿐만 아니라 0,25 인치 두께의 스피넬이 방탄 유리 2,5 인치와 동일한 탄도 특성을 가지고 있음은 물론, 균일 한 투명성을 가진 대형 부품을 제조하는 복잡성까지 오랫동안 알려져 왔습니다. 그러나이 실험실의 한 과학자 그룹은 진공에서 저온 소결의 새로운 공정을 발명했다. 이는 언론의 크기에 의해서만 제한된 크기의 부품을 얻을 수있게한다. 이것은 용융 도가니에서 원래의 분말을 녹이는 과정에서 이어지는 이전 제조 공정에 비해 획기적인 발전입니다.


미국 해군 연구소의 첨단 실험실에서 열간 프레스

새로운 공정의 비밀 중 하나는 불소화 리튬 (LiF)에서 소결 첨가제를 균일하게 분포시키는 것입니다.이 소결 첨가제는 스피넬 입자를 녹여 "윤활"시켜 소결 중에 균일하게 분산시킬 수 있습니다. 불화 리튬 분말과 스피넬을 건식 혼합하는 대신, 스피넬 입자를 불화 리튬으로 균일하게 코팅하는 방법을 개발했습니다. 따라서 LiF의 소비를 크게 줄이고 가시 광선 및 중간 적외선 스펙트럼 영역 (99-0,4 마이크론)의 이론 값의 5 % 로의 투과율을 높일 수 있습니다.

시트를 비롯하여 항공기 날개 또는 무인 항공기에 편한 다양한 형태의 광학 제품을 생산할 수있는 새로운 프로세스는 이름없는 회사에 의해 허가되었습니다. 스피넬에 적용 할 수있는 응용 분야는 기존 유리 종류, 군인 용 보호 마스크, 차세대 레이저 용 광학 기 및 멀티 스펙트럼 감지 안경의 질량보다 2 작은 질량의 장갑 유리입니다. 스마트 폰 및 태블릿 용 균열 방지 유리와 같은 대량 생산시 스피넬로 만든 제품의 비용이 크게 절감됩니다.

PERLUCOR - 탄환 및 마모 방지 시스템의 새로운 획기적인 사건


스크래치 내성 시험

몇 년 전 CeramTec-ETEC은 PERLUCOR 투명 세라믹을 개발했습니다.이 세라믹은 국방 및 민간 분야에서 사용하기에 좋은 전망을 가지고 있습니다. PERLUCOR의 탁월한 물리적 화학적 특성 및 기계적 물성이이 재료를 시장에 성공적으로 진입시킨 주요 원인이었습니다.

PERLUCOR는 90 %보다 상대적으로 투명하며 일반 유리보다 3 ~ 4 배 강력하고 단단하며이 소재의 내열성은 1600 ° C까지의 온도에서 사용할 수 있도록 약 3 배 높으며 내 화학성이 매우 높습니다. 그것은 농축 된 산과 알칼리를 가지고 있습니다. PERLUCOR는 광학 렌즈 및 소형 크기의 광학 요소를 만들 수있는 고 굴절률 (1,72)을 가지고 있습니다. 즉, 폴리머 또는 유리로는 얻을 수없는 강력한 증가를 가진 장치를 얻을 수 있습니다. PERLUCOR 세라믹 타일은 표준 크기 90x90 mm입니다. 그러나 CeramTec-ETEC은이 형식을 기반으로 복잡한 형상의 시트를 고객 사양으로 생산하기위한 기술을 개발했습니다. 패널의 두께는 특별한 경우 밀리미터의 10 분의 1 일 수 있지만 일반적으로 2-10 mm입니다.

방위 시장을위한 투명한 보호 시스템을보다 가볍고 얇게 개발하는 과정이 빠르게 진행되고 있습니다. 이 프로세스에 대한 중요한 공헌은 많은 제조업체의 보호 시스템의 일부인 SegamTes 회사의 투명한 도자기에 있습니다. STANAG 4569 또는 APSD의 표준에 따라 시험 된 이러한 시스템의 중량 감소는 30-60 %입니다.

최근 몇 년 동안, SegatTES-ETES가 개발 한 기술 개발에 또 다른 트렌드가 나타났습니다. 특히 아프가니스탄과 같이 바위가 많고 황량한 지역의 차량 창문은 모래와 먼지로 덮힌 와이퍼 블레이드의 움직임으로 인한 돌멩이와 흠집으로 고통 받고 있습니다. 또한 방탄 유리의 탄도 특성이 감소하여 돌의 충격으로 인한 손상을 받았다. 적대 행위 중 창문이 손상된 차량은 심각하고 예측할 수없는 위험에 처해 있습니다. SegatTes-ETES는 이러한 유형의 마모로부터 안경을 보호 할 수있는 혁신적이고 독창적 인 솔루션을 개발했습니다. 바람막이 유리의 표면에 PERLUCOR 세라믹 코팅의 얇은 층 (<1 mm)을 적용하면 이러한 손상을 성공적으로 견딜 수 있습니다. 이러한 보호 장치는 망원경, 렌즈, 적외선 장비 및 기타 센서와 같은 광학 장치에도 적합합니다. PERLUCOR 투명 도자기로 만든 평면 및 곡선 렌즈는이 매우 가치 있고 민감한 광학 장비의 수명을 연장시킵니다.

CeramTec-ETEC은 런던의 DSEI 2015 박람회에서 방탄 유리로 된 도어 패널과 스크래치 및 스크래치 방지 도어 패널을 성공적으로 선보였습니다.


Saint-Gobain의 사파이어 투명 보호 시스템은 다양한 레벨의 탄도 보호 장치에 해당하며 동시에 기존의 방탄 유리보다 무게와 두께가 적습니다.

견고하고 유연한 나노 세라믹

유연성과 탄력성은 도자기에 내재 된 특성이 아니지만 캘리포니아 공과 대학 (University of Technology)의 재료 과학 및 역학 교수 인 Julia Greer가 이끄는 과학자 그룹이이 문제를 해결하기로 결정했습니다. 연구원은 새로운 재료를 "내구성 있고 가벼운 재생 세라믹스 나노 그리드"라고 묘사합니다. 그러나 Greer와 2 년 전 그녀의 학생들이 과학 저널에 발표 한 동일한 기사가 호출됩니다.

이것 뒤에있는 것은 전자 현미경으로 찍은 크기가 수십 미크론 인 산화 알루미늄 나노 그리드로 만든 입방체에 의해 가장 잘 묘사됩니다. 로드 동작에서 85 %로 압축되고 제거되면 원래 크기로 복원됩니다. 실험은 또한 가장 얇은 튜브가 가장 강하고 가장 탄력적 인 다른 두께의 튜브로 구성된 격자로 수행되었습니다. 50 나노 미터 튜브의 벽 두께가 깨졌을 때 격자가 파괴되었고 10 나노 미터의 벽 두께가 원래 상태로 돌아 왔을 때 크기 효과가 일부 재료의 강도를 증가시키는 방법의 예가되었습니다. 이 이론은 크기가 감소함에 따라 벌크 재료의 결함 수가 비례하여 감소한다는 사실을 설명합니다. 이 구조에서 큐브 부피의 99,9 중공 튜브 격자 %는 공기입니다.

Greer 교수 팀은 3D 인쇄와 유사한 프로세스를 시작하여 이러한 작은 구조를 만듭니다. 각 공정은 3 차원에서 구조를 "끌어 당기는"두 레이저를 제어하는 ​​CAD 파일로 시작하여 광선이 서로 위상이 서로 다른 지점에서 고분자를 경화시킵니다. 경화되지 않은 폴리머는 경화 된 격자에서 흘러 나옵니다. 이제 경화 된 격자가 최종 구조를 형성하기위한 기판이됩니다. 다음으로 연구자들은 코팅 두께를 정밀하게 제어 할 수있는 방법을 사용하여 알루미나를 기판에 적용합니다. 마지막으로, 중공의 알루미나 튜브의 결정 격자만을 남기고, 중합체를 제거하기 위해 격자 단부를 절단한다.



캘리포니아 공과 대학 (University of Technology)의 줄리아 그리어 (Julia Greer) 교수에 따르면 나노 그리드는 매우 낮은 질량과 탁월한 기계적 안정성을 가지고 있으며 동시에 거대한 표면적

강철의 힘, 공기와 같은 무게

볼륨으로 볼 때 주로 공기로 이루어 지지만 강철처럼 내구성이 떨어지는 그러한 "엔지니어링 된"재료의 잠재력은 엄청나지만 이해하기 어렵 기 때문에 Greer 교수는 몇 가지 생생한 예를 들었습니다. 첫 번째 예제는 헬륨이 밖으로 펌핑되지만 동시에 모양을 유지하는 풍선입니다. 둘째, 미래형 항공기로, 수동식 모델만큼 무게가 나간다. 가장 놀라운 사실은 유명한 골든 게이트 브릿지가 비슷한 나노 그리드로 만들어진 것이라면 건설에 필요한 모든 재료가 인간의 손바닥에 (공기없이) 놓일 수 있다는 것입니다.

무수한 군용 어플리케이션에 적합한 내구력이 있고 가벼우 며 내열성 인 소재의 거대한 구조적 이점과 마찬가지로 사전에 정해진 전기적 특성으로 인해 저장 및 에너지 생성에 혁명을 일으킬 수 있습니다. "이러한 나노 구조는 매우 작은 질량, 기계적 안정성 및 동시에 거대한 영역을 가지고 있습니다 즉, 우리는 전기 화학적 형태의 많은 응용 분야에서 사용할 수있다.

여기에는 배터리와 연료 전지를위한 극히 효율적인 전극이 포함되며, 자체 내장 전원, 휴대형 및 휴대용 발전소는 물론 태양 전지 기술의 진정한 획기적인 목표이기도합니다.

"이와 관련하여 광자 결정체를 부를 수도 있습니다."라고 Greer는 말했습니다. "이러한 구조는 당신이 빛을 완전히 포착 할 수있는 방식으로 조작 할 수있게합니다. 즉, 훨씬 더 효율적인 태양 전지를 만들 수 있습니다. 모든 빛을 포착하고 반사 손실이 없습니다."

"이것은 모두 나노 물질과 구조 원소의 크기 효과의 조합이 아직 성취 할 수없는 성질을 가진 새로운 종류의 물질을 생성 할 수 있음을 시사한다"고 스위스의 유럽 원자력 연구기구 (European Organization for Nuclear Research)의 교수 인 Greer 교수는 말했다. "우리가 직면 한 가장 큰 문제는 나노에서 세계의 크기로 어떻게 확장하고 움직이는가이다."


복합 보호 시스템에서 도자기는 일반적으로 외부 레이어로 설치되며, 예상되는 위협에 수직 인 것이 바람직합니다. 폴리 아라미드, 폴리에틸렌 또는 폴리 프로필렌으로부터의 중합체 섬유는 복합 기재를 형성한다. 개별 중합체 층의 강성 및 구조 강도를 증가시키는 것은 결합제 물질을 함침시키고 경화시킴으로써 달성된다. 가소 화 고무, 폴리 우레탄 또는 에폭시 수지와 같은 바인더의 올바른 선택은 Shore에 따른 높은 경화 경도와 결과적으로 특정 위협에 대해 최적화 될 수있는 원하는 기계적 특성을 유도합니다.

산업용 투명 세라믹 보호

IBD Deisenroth Engineering은 불투명 세라믹 외장과 비슷한 탄도 특성으로 투명 세라믹 보호재를 개발했습니다. 이 새로운 투명한 보호 장치는 약 70 %의 장갑 유리 위에 더 가볍습니다. 그리고 불투명 한 갑옷과 같은 멀티 쇼크 특성 (다중 히트를 견딜 수있는 능력)을 갖춘 구조물로 조립할 수 있습니다. 이것은 큰 창문이있는 차량의 무게를 크게 줄이는 것뿐만 아니라 모든 탄도 틈새를 막을 수 있습니다.

STANAG 4569 표준을 준수하기 위해 3 장갑 유리 레벨의 표면 밀도는 약 200 kg / m2입니다. 3 평방 미터의 트럭 창문의 전형적인 지역으로, 방탄 유리의 무게는 600 kg이 될 것입니다. 이러한 장갑 유리를 IBD 세라믹으로 교체 할 때 무게 감량은 400 kg 이상이 될 것입니다. IBD 투명 도자기는 IBD NANOTech 도자기의 추가 개발품입니다. IBD는 세라믹 타일 ( "모자이크 투명한 갑옷")을 조립하고 큰 창 패널을 형성하기 위해 강력한 기본 레이어로 이러한 어셈블리를 라미네이팅하는 데 사용되는 특수 기술 바인딩 프로세스를 개발하는 데 성공했습니다. 이 세라믹 소재의 뛰어난 특성으로 인해 무게가 현저히 낮은 투명한 외장 판을 제조 할 수 있습니다. 천연 NANO-Fiber 라미네이트 재료와 결합 된 기판은 에너지 흡수력이 높아 새로운 투명한 보호의 탄도 특성을 더욱 향상시킵니다.


OSG의 신기술 ADI는 기계 내부의 비산 방지 환경을 제공하는 동시에 투명한 갑옷의 예상 수명을 크게 늘려 결과적으로이 유리창의 보증 기간을 연장 할 수 있습니다

이스라엘 회사 인 OSG (Oran Safety Glass)는 전세계의 불안정성과 긴장감이 증가함에 따라 방탄 유리 제품을 개발했습니다. 이들은 군대, 준 군사 조직, 위험도가 높은 민간인 직종, 건설 및 자동차 산업을위한 방위 및 민사 구체를 위해 특별히 설계되었습니다. 이 회사는 투명 보호 솔루션, 탄도 보호 솔루션, 고급 투명 투기 시스템, 디지털 Visual Window 창, 비상구 창문, 컬러 디스플레이 기술이 적용된 세라믹 창문, 통합 조명 표시기 시스템, 내 충격성 유리판 등의 기술을 시장에 홍보합니다. 돌, 그리고 마침내 안티 - 스플린터 기술 ADI.

OSG 투명한 물질은 실제 상황에서 끊임없이 테스트되고 있습니다 : 물리적 및 탄도 공격을 물리 치고 생명을 구하고 재산을 보호합니다. 모든 장갑 재질은 주요 국제 표준에 따라 제작되었습니다.

사용 된 재료 :
www.shephardmedia.com
www.geaviation.com
www.osg.co.il
www.morganadvancedmaterials.com
www.nrl.navy.mil
www.ceramtec.com
www.caltech.edu
www.ibd-deisenroth-engineering.de
www.saint-gobain.com
www.wikipedia.org
en.wikipedia.org
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