1.2. Vật liệu gốm kết cấu tiên tiến (Monolithic Structural Ceramics)
Việc sử dụng gốm kết cấu để chế tạo AGCĐ là một ứng dụng tương đối mới. Gốm chống đạn được nghiên cứu phát triển ở Mỹ vào những thập kỷ 60 của thế kỷ XX. Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu này là khả năng giữ cản được các loại đạn xuyên năng lượng cao đầu nhọn (đầu đạn có lõi thép hoặc hợp kim cứng, hợp kim nặng) đồng thời phải có tỷ trọng thấp để trọng lượng AGCĐ nhỏ. Thông thường AGCĐ bằng vật liệu gốm (hình 1) bao gồm các tấm gốm siêu bền (lớp 2) được phủ 2 mặt bằng vật liệu tổ hợp từ sợi bền cao như Kevlar, Spectra (lớp 1 và 3). Do tác động của lực va đập rất lớn của viên đạn (tốc độ lên tới 700~800 m/s) đầu viên đạn bị tòe ra như hình nấm, vật liệu gốm cũng bị phá hủy do hấp thụ động năng của viên đạn theo cơ chế phá hủy dòn. Năng lượng còn lại của viên đạn sau khi va chạm vào các mảnh gốm được hấp thụ tiếp bởi lớp vật liệu tổ hợp nền sợi độ bền cao; lớp vật liệu này còn có tác dụng cản giữ các mảnh gốm bị vỡ ra do viên đạn đập vào và cản giữ chính viên đạn.
Hình 1. Sơ đồ cấu tạo và cơ chế chống đạn của AGCĐ bằng gốm Al2O3
Hiện nay người ta thường sử dụng các vật liệu gốm kết cấu tiên tiến có độ cứng cao (Hv>10GPa) độ bền uốn (200÷800) MPa, môdun đàn hồi (300÷600) GPa và độ dai phá hủy KIC= (3÷10)MPa m1/2. Gốm kết cấu bao gồm: gốm oxit chủ yếu là ôxit nhôm αAl2O3 và gốm phi ôxit như SiC, B4C, TiC, AIN… Gốm kết cấu ôxit, đặc biệt gốm kết cấu ôxit nhôm αAl2O3 có cơ lý tính rất cao, tỷ trọng tương đối thấp (≈3,9g/cm3) đặc biệt có thể sản xuất bằng các công nghệ không đòi hỏi thiết bị phức tạp, đắt tiền nên giá thành thấp và hiện nay đang được sử dụng khá rộng rãi để chế tạo AGCĐ. Về cơ bản gốm phi ôxit làm AGCĐ có cơ-lý tính rất cao và tỷ trọng thấp rất phù hợp cho chế tạo AGCĐ, song các loại gốm này phải chế tạo bằng các công nghệ và thiết bị đắt tiền, đặc biệt là công nghệ ép nóng nên có giá thành cao, cao hơn nhiều so với gốm ôxit nhôm [6,7].
1.3. Vật liệu tổ hợp trên nền gốm (Ceramics matrix composites).
Vật liệu tổ hợp trên nền gốm có cơ tính rất cao, đặc biệt là độ dai phá hủy KIC; do đó vật liệu này có độ bền chắc (Integrity) tốt hơn so với gốm kết cấu đã nói ở trên. Vật liệu tổ hợp nền gốm là các loại vật liệu gốm được tăng bền bằng các pha phân tán dạng hạt, dạng thanh, râu hoặc các sợi như gốm tổ hợp αAl2O3 /sợi SiC; αAl2O3 / sợi C, TiB2/ hạt B4C; do nguyên liệu đầu vào có dạng đặc biệt như sợi, râu, hạt của các hợp chất siêu cứng và chỉ được sản xuất bằng công nghệ đặc biệt nên giá thành của các loại vât liệu này khá cao, chỉ được dùng để chế tạo các loại giáp đặc biệt dùng để bảo về các nguyên thủ quốc gia, các tài liệu đặc biệt hoặc các bộ phận cực kỳ quan trọng của thiết bị quân sự [8].
* Mục đích của công trình nghiên cứu.
Do sự cần thiết phải trang bị áo giáp chống đạn cho lực lượng vũ trang như cảnh sát, quân đội, các đội bảo vệ và đặc nhiệm, nhiều đơn vị đã nhập nhiều loại áo giáp chống đạn khác nhau từ nhiều nước với cấp độ bảo vệ khác nhau, từ các loại áo mềm cấp IIIa trở xuống đến các loại áo có giáp cứng cấp III và cấp IV. Trong nước một số đơn vị đã nghiên cứu và chế tạo áo giáp chống đạn bằng các loại vải dệt từ sợi có độ bền cao như Kevlar, Dyneeme và đạt cấp IIIa chống được đạn K59 trở xuống. Chưa có nơi nào nghiên cứu chế tạo các tấm chống đạn phức hợp Gốm-Kevlar là các tấm giáp có tác dụng chống được các loại đạn có động năng cao đáp ứng các yêu cầu cấp III, IV mà thế giới hiện nay đang dùng phổ biến để trang bị cho quân đội và cảnh sát.
Để có thể theo kịp các nước trong lĩnh vực sản xuất áo giáp chống đạn, bộ Quốc phòng đã giao cho Viện Công nghệ, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm đặc biệt và chế thử áo giáp chống đạn” với mục đích chế tạo được áo giáp chống đạn có tấm giáp phức hợp Gốm-Kevlar có khả năng chống được đạn K56 bắn từ súng AK-47 là loại vũ khí được sử dụng phổ biến trên chiến trường hiện nay có động năng và sức sát thương rất cao.
2. Thực nghiệm
2.1. Chọn vật liệu
Như phần tổng quan đã trình bày, gốm kết cấu ôxit nhôm có cơ tính cao, tỷ trọng tương đối thấp (≈3.9 g/cm3) nguyên vật liệu sẵn, giá thành sản xuất thấp, đặc biệt gốm này có thể được sản xuất bằng các công nghệ không đòi hỏi thiết bị phức tạp nên có thể sản xuất loạt lớn với chi phí không cao. Chính vì vậy phần lớn các hãng sản xuất áo giáp chống đạn trên thế giới như: Ceradyne Inc; M Cubed technologies; Cercon Inc, Reliance (Mỹ); Body Armor UK Protection system (Anh); Eagle Bodyarmor (Hà lan); ZFI Inc (Israel)… đều chọn vật liệu này để sản xuất giáp chống đạn.
2.2 Yêu cầu đối với gốm ôxit nhôm làm giáp chống đạn [4]
Cơ chế phá hủy tấm gốm khi bị viên đạn va đập vào khá phức tạp, sự tạo thành các vết nứt xảy ra trong một khoảnh khắc rất ngắn và do hàng loạt các nhân tố ứng suất khác nhau, do vậy từng tính chất riêng rẽ của vật liệu không xác định tính năng chống đạn của vật liệu, mà tổ hợp các yêu cầu cơ- lý tính của vật liệu có tầm quan trọng quyết định. Mật độ của vật liệu gốm càng thấp càng tốt, song không có nghĩa là có thể chấp nhận trạng thái kết khối xấu, vì lúc đó độ xốp tăng ảnh hưởng nghiêm trọng đến các tính chất cơ-lý khác. Độ xốp của gốm phải rất thấp. Độ cứng của gốm phải cao, cao hơn độ cứng của lõi đầu đạn. Độ dai phá hủy KIC của vật liệu gốm không cần cao lắm, thực tiễn cho thấy vật liệu gốm có KIC cao không thể hiện tính vượt trội về khả năng chống đạn.
Mặc dù vậy KIC không thể quá thấp vì cần đảm bảo tỷ lệ hợp lý giữa độ cứng (thể hiện tính dòn) và KIC (thể hiện tính dẻo) của vật liệu gốm. Đối với gốm ôxit nhôm KIC ≥ 3 MPa m1/2 là đạt yêu cầu. Do cơ chế chống đạn của vật liệu gốm khá phức tạp nên mọi thông số về độ bền như môdun Young, độ bền nén, độ bền uốn đều được tính đến. Đối với gốm Al2O3 môdun Young E > 300 GPa độ bền uốn σu ≥ 250 MPa đảm bảo tính năng chống đạn tốt.
