BALLISZTIKAI KERÁMIA ALKALMAZÁSA TESTPÁNCÉLOKBAN KARABÉLY- ÉS PUSKATÖLTÉNYEK LÖVEDÉKEI ELLEN USING BALLISTIC CERAMICS IN THORAX AGAINTS BULLETS FRANK GYÖRGY címzetes docens BALLISZTIKAI KERÁMIA ALKALMAZÁSA TESTPÁNCÉLOKBAN KARABÉLY- ÉS PUSKATÖLTÉNYEK LÖVEDÉKEI ELLEN USING BALLISTIC CERAMICS IN THORAX AGAINST BULLETS A műszaki kerámiákon belül a ballisztikai kerámiák is (alumínium-oxid, a szilíciumkarbid, a bórkarbid.) kiváló mechanikai, fizikai és elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek, valamint a vegyi anyagokkal és a korrózióval szemben is igen ellenállóak A ballisztikai kerámiáknál azonban néhány mechanikai-tulajdonságnak kiemelt jelentősége van. Nevezetesen azoknak, amelyek biztosítják a rideg ballisztikai kerámiáknak azokat a tulajdonságokat, amelyekkel képesek törni, deformálni a nagy sebességgel becsapódó acélmagvas, FMJ, páncéltörő stb. karabély-és puskatöltény lövedékeket. Továbbá azoknak a mechanikai tulajdonságoknak, amelyekkel egyrészt képes a kerámia réteg mérsékelni a lövedék becsapódásából eredő blunt traumát (tompított sérülés), másrészt a szilánkosodást. Ballistic ceramics, which are the part of technical ceramics, have many good physical electronical mechanical qualities and resistant against chemicals and corrosion-proof. Some properties of ballistic ceramics has special importance. These properties guarantee brittle ballistic ceramics can break and deform the high velocity on impact armour-piercing bullets. This ceramic layer can reduce blunt-effect and fragmentation effect. A cikk célkitűzése először a rideg ballisztikai kerámiák közül a leggyakrabban alkalmazott, alumíniumoxid alapú (Al 2 O 3 ) bemutatása. Másodszor hangsúlyozni, hogy a beépített kerámia felületen követelmény az egyenszilárdság. Harmadszor ráirányítani a figyelmet arra, hogy ballisztikai hatások ellen védő eszközök beszerzésénél, alkalmazásuk során fokozott figyelmet kell fordítani az egyes védőeszközökben lévő kerámia réteg (lapkák) fizikai, mechanikai tulajdonságainak meglétére. 113
KATONAI GÉPÉSZET Ugyanis a nem megfelelő gyártástechnológiával készült (sajtolónyomás, színterelési atmoszféra, színterelési hőmérséklet) és beépített ballisztikai kerámiák esetén a lövedékekkel szembeni elvárható gátlóképesség, illetve szilárdság nem biztosított. Továbbá a vizsgálati mintákon megállapított tulajdonságoktól a tömegben gyártottak eltérhetnek, amire figyelmeztető példa a Forest Hills-i incidens (A két rendőrtiszt halála) története. Az aluminiumoxid alapú kerámia Az alumíniumoxid az egyik legelterjedtebb oxidkerámia. A kerámiák Young modulusa általában nagyobb a fémekénél (acéloknál 200 GPa, szerkezeti kerámiáknál 150-400 GPa). A kerámiák kis sűrűsége (2. 5-4. 0 g/cm3) miatt a fajlagos modulus (E/d) nagy (d : sűrűség). Továbbá nagy a keménységük (25 GPa, a Mohs skálán: 9), magas az olvadáspontuk (2054 oc), jó az elektromos- és hőszigetelő képességük, hőtágulásuk a többi kerámiához képest nagy (8*10/6 K), szakítószilárdságuk 210 MPa. Több kristálytani módosulata közül legfontosabb az a -Al2O3 (korund), mely Cr2O3 típusú rácsban kristályosodik. Több oxiddal szilárd oldatot (pl. Cr2O3), másokkal alacsony olvadáspontú eutektikumot képez (pl. SiO2). Az Al3+ és az O2-ionok mozgékonysága aránylag nagy magas hőmérsékleteken, ezért aránylag könnyen színterelhetők. Különböző tisztaságú minőségben készítik. TULAJDONSÁGOK ALUMINIUM- OXID BÓR- KARBID SZILICUM- KARBID Fajsúly (g/cm 3 ) 3.5-3.9 2.5 3.1 Olvadási hőmérséklet (C 0 ) 2050 2450 2850 Keménység (Mohs) 9 9.3 9-9.5 Rugalmassági modulus 20-38 29-45 42-47 (10 3 kp/mm 2 ) Hajlítási szilárdság 24-28 31-35 17 (kp/mm 2 ) Nyomószilárdság (kp/mm 2 ) 195-265 295 140 A Dragon Skin -ben a kerámia sziliciumkarbid 114
BALLISZTIKAI KERÁMIA ALKALMAZÁSA TESTPÁNCÉLOKBAN KARABÉLY- ÉS PUSKATÖLTÉNYEK LÖVEDÉKEI ELLEN USING BALLISTIC CERAMICS IN THORAX AGAINTS BULLETS A kerámiák vegyszerállósága: ellenálló vízzel, gyenge erős savakkal, oxidáló savakkal, gyenge lúgokkal, észterekkel, éterekkel, alifás-, klórozott -és aromás szénhidrogénekkel, benzinekkel, zsírokkal és olajokkal szemben, nem ellenálló folysavval (hidrogén-fluorid) szemben, mérsékelten ellenálló erős lúgokkal szemben. Az előállítás A kerámiák képlékenyen nem alakíthatók, előállításukra általában porkohászati módszereket használnak (színterelés). A porkohászati eljárásoknál a terméket olvasztás nélkül állítják elő: először finom port készítenek, azt tömörítik (formázzák), végül magas hőmérsékleten izzítják (szinterelik). A szinterelés hőmérséklete általában alacsonyabb az olvadáspont kétharmadánál. Porkészítésnek a tisztasággal és a részecskemérettel szemben támasztott igényektől függően számos változata terjedt el, a mechanikai őrléstől kezdve a különböző kémiai eljárásokig. Az alumínium-oxid kerámia alapanyaga por, melynek szemcséi 25-35 µ méretűek. A port 420 at nyomással sajtolják össze, majd oxidáló légkörben 30 óráig 1425 C -on hevítik. Az alapanyag tisztaságának fokozásával és a szemcseméret csökkentésével növelni lehet a végtermék szilárdságát A portechnológiával készülő Al 2 O 3 kerámia lapkák tulajdonságait befolyásolják: 1. A préspor összetétele (a szemcseszerkezet, a szemcseméreteloszlás és a kémiai összetétel) 2. Az alakadási technológia (az alkalmazott sajtolónyomás-mpa, a sajtolónyomás maximális hatóideje s és az adalékanyag menynyiségének aránya %) 3. Az égetés módja (a hőntartási idő, az égetés hőmérséklete és a kemence atmoszférája). Az ellenőrzés Testpáncélok beszerzés előtt, használat során ellenőrizni kell a ballisztikai kerámiák tulajdonságait, azok mértékeit és értékeit. Az ellenőrzés 115
116 KATONAI GÉPÉSZET lefolytatásához felkészült laboratórium igénybevétele nélkülözhetetlen, korszerű méréstechnikai eszközökkel, nagy pontosságú, érzékeny műszerekkel. Ugyanis a ballisztikai kerámiák előállításához alkalmazott klasszikus portechnológia egyes fázisait igen sokféleképpen lehet megvalósítani. Információ kell az égetésről, nevezetesen, hogy a kerámia kiégetésére szolgáló kemence gázzal fűtött vagy elektromos volt. Ugyanis a gázzal fűtött nem biztosít mindig egyenletes kiégetést. Ezért a gázzal fűtött kemencékben kiégetett kerámia lapokból készülő védőlapok összeállításánál a tudatos lapkaválogatás alapkövetelmény. Vizsgálni kell a kerámia kiégetési hőmérsékletet és a porózusságot. Ugyanis a nagyobb kiégetési hőmérséklet esetén a kerámia porozitása és a törékenysége csökken, a porózusabb kerámia viszont fagyállóbb. Vizsgálni kell a kerámia gyártástechnológiáját, mivel megfelelő gyártástechnológia alkalmazásával (sajtolónyomás, szinterelési atmoszféra, színterelési hőmérséklet) a hagyományos szennyezettségű 92 99,7% Al 2 O 3 -tartalmú alapanyagokból is előállíthatók a 4. vagy 5. generációhoz tartozó, nagytisztaságú Al 2 O 3 -ból gyártott kerámiákkal egyező mechanikai, fizikai tulajdonságú termékek Célszerű ellenőrizni a kerámia lapkák mikrokeménységét meghatározott terhelőerővel (N), meghatározott terhelési idővel (sec) és próbatestenként meghatározott lenyomat készítésével (GPa a keménység értékének egysége. Vickers mérőszámra átszámítva: 1GPa = HV 98,1). Charpy ütővizsgálattal a fajlagos ütőmunka mérésével a bemetszett kerámia lapkák szívósságát. Továbbá mikroszkópos vizsgálattal a porozitást, ill. az esetleges gyártási hibát. A kiegészítő védőbetét A nagy energiájú karabély-és puska töltények lövedékei kivédésére csak olyan testpáncélok alkalmasak, amelyek besorolással rendelkező kiegészítő védőbetétet is hordoznak. Tudomásul kell venni, hogy karabély-és puska töltények lövedékei elleni védelem csak a kiegészítő védőbetéttel is takart felületeken biztosított, a panel peremtől bizonyos távolságra. Leggyakrabban olyan a karabély-és puska töltények lövedékei elleni védelmet biztosító lövedékálló védőmellény, hogy a védelmet az első és hátsó védőbetét borítóhuzaton elhelyezett zsebekbe behelyezett kiegészítő vé-
BALLISZTIKAI KERÁMIA ALKALMAZÁSA TESTPÁNCÉLOKBAN KARABÉLY- ÉS PUSKATÖLTÉNYEK LÖVEDÉKEI ELLEN USING BALLISTIC CERAMICS IN THORAX AGAINTS BULLETS dőbetétek biztosítják az alapvédelmet szolgáltató hajlékony szövetrétegekkel. Ezek a kiegészítő védőbetétek általában kompozit anyagok, morfológia szerinti csoportosításban pontosítva, rétegelt kompozitok, amelyekben aramidszálakat, nagy szilárdságú polietilén (HPPE) szálakat, stb. alkalmaznak szálerősítő anyagként. Továbbá felhasználnak mátrix anyagnak, vagy más néven beágyazó anyagnak nagyobb hőállóságú, előimpregnált fenolgyantát, epoxigyantát kemény rétegnek, a lövés felöli oldalra helyezve pedig oxid- kerámiát, leggyakrabban aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) anyagot, gondosan összeválogatott pl. 50x50x8 mm-es vagy 20x20x8 mm-es lapocskákból összerakva. Az így kialakított, gyakran 200 x 250 mm (8 x 10 ) vagy a 250 x 300 mm (10 x 12 ) stb. méretben alkalmazott, íves vagy sík kiegészítő védőbetét kb. 3 kg. tömegű (NIJ Standard 0101.04 IV. védelmi szintben), néhány üvegszövet rétegből álló, lefestett fedőréteggel takart. A szálerősítésű kompozitok szilárdsága nagymértékben attól függ, hogy az ágyazó anyag miképpen tudja a terhelést átadni a szálaknak. Ennek viszont alapfeltétele, hogy az ágyazó-és beágyazott aramid, HPPE, stb. erősítő szövet felülete között az erőátadáshoz jó tapadás jöjjön létre. A paneleket óvni kell a víztől, mivel az aramid szálak hajlamosak a nedvesség felvételére, ami megbonthatja a matrix szerkezetet. Ágyazóanyag és az aramid, HPPE, stb. közötti esetleges hőtágulási együttható különbség szál kilazuláshoz, illetve kihúzódáshoz vezethet, ami az anyagok közötti jó tapadás megszűnését eredményezi. A kompozitok mechanikai tulajdonságait befolyásolja az alkalmazott aramid, HPPE, stb. szálak mennyisége, hossza (szükséges kapcsolódási hossz az átmérő 20-150 szerese), átmérője, elhelyezkedése és elrendezése. A ballisztikai gátlóképesség pedig nagymértékben függ az alkalmazott matrix anyag hőállóságától (+/-) és a készített panel peremeitől mért távolságtól. Az epoxigyanták általában mechanikai és vegyi hatásokkal szemben 130-1550C-ig állóképesek. Adott struktúrák megítélésénél azonban lényeges mindig konkrétan tudni a ballisztikai gátlóképesség alakulását meghatározott hőmérséklet tartományban. A kompozitok utólagos megmunkálása általában karbid vagy gyémántszemcsés felrakású fűrészlappal végezhető. Tilos azonban a paneleken utólagos megmunkálásokat végezni, mert azok a védőképességet ellenőrizhetetlen mértékben megváltoztathatják. 117
KATONAI GÉPÉSZET A kerámia szerepe a becsapódó lövedék megállításban A kiegészítő védőbetéttel ellátott védőmellénybe becsapódó nagy energiájú karabély, puska töltény lövedékek átütő erőivel (P) szemben, amelyeknek irányai megfelelnek a lövedékek mozgási irányainak, a védőanyag szerkezet áttörés gátló erő fejti ki hatását, a lövedékek által megtett utak mentén. Az átütőerő (P): E ahol: P = 0,1 -------------------- E = becsapódási energia Y K Y = A lövedék alakjától, 2 anyagától függő tényező 2 K = lövedék átmérő A becsapódó lövedék teljes vagy részbeni progresszív fékezését, energia vesztését okozza a védőanyag szerkezet, lövés felöli oldalán lévő kerámia réteg. Továbbá ennek a ballisztikai kerámia rétegnek a feladata a becsapódó lövedéket roncsolni, deformálni, átmérőjét növelni (még a nagy sebességgel becsapódó acélmagvas, teljes fémköpenyes, páncéltörő stb., meleg állapotú lövedéknél is). Ezekre a feladatokra a műszaki kerámiákhoz tartozó ballisztikai kerámiák alkalmasak, ahol a rendkívüli keménység, a tekintélyes nyomószilárdság, a nagy rugalmassági modulus, a nagy sűrűség, a minimális pórusosság, a nagy hajlítószilárdság, a magas olvadási hőmérséklet jellemző tulajdonságok kiemelt jelentőségűek. A megfelelőség megítéléséhez a felsorolt tulajdonságok adatainak ismerete elengedhetetlen. Összegezés 1. A műszaki kerámiákon belül a ballisztikai kerámia minőségnél kiemelt jelentőséggel bírnak az: olyan kerámia tulajdonságok (pl. rendkívüli keménység, tekintélyes nyomószilárdság, nagy rugalmassági modulus), amelyek alkalmassá teszik a ballisztikai kerámiát arra, hogy törje, deformálja a nagy sebességgel becsapódó 118
BALLISZTIKAI KERÁMIA ALKALMAZÁSA TESTPÁNCÉLOKBAN KARABÉLY- ÉS PUSKATÖLTÉNYEK LÖVEDÉKEI ELLEN USING BALLISTIC CERAMICS IN THORAX AGAINTS BULLETS acélmagvas, FMJ, páncéltörő stb. karabély-és puskatöltény lövedékeket. Továbbá amelyekkel egyrészt képes mérsékelni a lövedék becsapódásából eredő blunt traumát (tompított sérülés), másrészt a szilánkosodást. A kerámia követelményjegyzékben meghatározottakat (harcászati műszaki jellemzőket) a felhasználónak ellenőrizni célszerű (kell). 2. A ballisztikai kerámiák felhasználásakor fokozott mértékben törekedni kell olyan adatok megismerésére (pl. szívósság., az alakadás során alkalmazott sajtolónyomás nagysága és hatásideje, stb), amelyekkel a ballisztikai kerámia minősége, a mechanikai tulajdonságok mérlegelhetők.. A ballisztikai kerámiák minőségének megismerését segítheti pl. az ütővizsgálat (Charpy), a mikrokeménység (Vickers) mérése, a mikroszkópos vizsgálatok stb. Kerámia előállítás folyamatának vázlata Kerámia Hajlékony szövetréteg A becsapódó lövedéket a kerámia réteg roncsolja, deformálja 119
KATONAI GÉPÉSZET Kráteresedett kerámia lapkák 8 mm vastag kerámia (Al2O3 ) + 18 réteg Twaron védőképességének alakulása (Akzo Nobel. Twaron in Hard Ballistics) 120
BALLISZTIKAI KERÁMIA ALKALMAZÁSA TESTPÁNCÉLOKBAN KARABÉLY- ÉS PUSKATÖLTÉNYEK LÖVEDÉKEI ELLEN USING BALLISTIC CERAMICS IN THORAX AGAINTS BULLETS Becsapódáskor gombásodó lövedékek Különböző méretű és színű Al2O3 kerámia lapkák 121
KATONAI GÉPÉSZET Felhasznált irodalom 1. Eur. Ing. Frank György: Ballisztikai védőanyagok és laboratóriumi méréseik. Előadás. Korszerű ballisztikai anyagok c. nemzetközi konferencia. 2008. november 18. Stefánia Palota. Budapest. 2. Eur. Ing. Frank György 2008. évben elhangzott előadásai a Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetemen és a Rendőrtiszti Főiskolán 122