Cacbua bo dùng cho áo giáp nhẹ

Cacbua bo dùng cho áo giáp nhẹ

Tóm tắt

Boron carbide (B₄C) là một loại vật liệu gốm cao cấp được sử dụng trong các ứng dụng áo giáp nhẹ đòi hỏi khắt khe nhất. Sự kết hợp đặc biệt giữa  độ cứng cực cao  và  mật độ rất thấp  khiến nó trở thành vật liệu được lựa chọn khi cần mức độ bảo vệ cao nhất có thể với trọng lượng thấp nhất. Tuy nhiên, việc sử dụng nó thường bị hạn chế bởi chi phí cao và tính giòn vốn có.

1. Boron Carbide là gì?

Boron carbide là một vật liệu tổng hợp được cấu tạo từ các nguyên tử boron và carbon. Nó là một trong những chất cứng nhất được biết đến, đứng thứ ba sau kim cương và boron nitride lập phương.

Các đặc tính quan trọng của áo giáp:

• Độ cứng cực cao:  ~9,5 trên thang Mohs. Điều này cho phép nó đánh bật và phá vỡ các vật thể cứng.

• Mật độ rất thấp:  ~2,52 g/cm³. Mật độ này chỉ bằng khoảng một phần ba mật độ của thép, khiến nó cực kỳ nhẹ.

• Độ cứng cao (Modun đàn hồi):  Rất khó bị biến dạng dưới tải trọng.

• Độ bền nén cao:  Có thể chịu được lực ép cực lớn.

2. Tại sao nó lại lý tưởng cho áo giáp hạng nhẹ? Nguyên tắc cốt lõi

Ưu điểm chính là  tỷ lệ độ cứng trên mật độ vượt trội . Xét về mặt áo giáp, điều này có nghĩa là  khả năng bảo vệ tốt nhất có thể với cùng một trọng lượng.

Trên thực tế, tấm giáp làm bằng cacbua bo sẽ nhẹ hơn đáng kể so với tấm thép hoặc alumina (Al₂O₃) có cùng mức độ bảo vệ. Điều này rất quan trọng đối với:

• Tính cơ động cá nhân:  Binh lính và lực lượng thực thi pháp luật có thể mang theo các thiết bị bảo vệ thiết yếu mà không bị vướng víu quá mức.

• Ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ và ô tô:  Giảm trọng lượng trên máy bay (ví dụ: ghế trực thăng) và ô tô giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng hiệu suất.

3. Cách thức hoạt động trong hệ thống giáp

Cacbua bo hầu như không bao giờ được sử dụng riêng lẻ. Nó đóng vai trò là  bề mặt tiếp xúc phía trước  trong hệ thống giáp composite.

Cơ chế:

1. Va đập & Mài mòn:  Khi một vật thể bay với vận tốc cao (đặc biệt là lõi thép cứng hoặc vonfram) va chạm với tấm cacbua bo, độ cứng cực cao của nó sẽ làm cùn và mài mòn đầu vật thể. Điều này ngay lập tức làm giảm khả năng xuyên thấu của vật thể.

2. Sự vỡ vụn và hấp thụ năng lượng:  Va chạm tạo ra sóng xung kích khiến cacbua boron bị vỡ thành một “hình nón” cục bộ bên dưới điểm va chạm. Quá trình vỡ vụn này tiêu hao một lượng lớn động năng của vật phóng.

3. Phân bổ tải trọng:  Tấm gốm cứng chắc giúp phân tán lực tác động tập trung cao độ trên một diện tích lớn hơn trên lớp đỡ.

4. Khả năng giữ chắc của lớp nền:  Vật liệu nền (thường là các lớp  Aramid  hoặc  Polyethylene trọng lượng phân tử cực cao – UHMWPE ) có độ bền và độ dẻo dai cao. Nhiệm vụ của nó là:

   • Thu gom các mảnh vỡ của viên đạn và mảnh gốm.

   • Hấp thụ năng lượng động còn lại thông qua biến dạng dẻo và kéo giãn sợi.

   • Đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc để ngăn ngừa biến dạng mặt sau nguy hiểm (chấn thương do vật cùn).

Sự kết hợp “Mặt trước cứng cáp / Mặt sau dẻo dai” này   là nền tảng của giáp composite nhẹ hiện đại.

4. Ưu điểm so với nhược điểm

5. So sánh với các loại gốm sứ làm giáp khác

Hướng dẫn lựa chọn:

• Cacbua boron:  Chọn loại này khi trọng lượng là yếu tố quan trọng tuyệt đối và ngân sách là yếu tố thứ yếu (ví dụ: tấm giáp bảo vệ tiên tiến cho binh lính, ngành hàng không vũ trụ).

• Silicon Carbide:  Lựa chọn tối ưu nhất về sự cân bằng giữa hiệu năng, khả năng chịu nhiều lần bắn và chi phí. Đây là loại gốm cao cấp phổ biến nhất.

• Nhôm oxit (Alumina):  Chọn loại này khi ngân sách là yếu tố hạn chế chính và trọng lượng tăng thêm có thể chấp nhận được.

6. Ứng dụng chính

• Áo giáp bảo hộ cá nhân:

  • Tấm chắn súng trường (ESAPI):  Được sử dụng trong các tấm bảo vệ vũ khí nhỏ của quân đội (tấm SAPI/ESAPI) để chặn các loại đạn có sức công phá cao và xuyên giáp.

  • Mũ bảo hiểm cắt cao:  Được sử dụng trong mũ bảo hiểm của các lực lượng đặc nhiệm để bảo vệ tối đa khỏi mảnh vỡ và đạn súng ngắn với trọng lượng tối thiểu.

• Hàng không vũ trụ & Giáp xe:

  • Ghế ngồi trên trực thăng:  Bảo vệ phi công khỏi hỏa lực từ mặt đất.

  • Xe bọc thép hạng nhẹ:  Dùng làm giáp bổ sung cho cửa và các khu vực trọng yếu.

  • Giáp bảo vệ máy bay:  Dùng cho các bộ phận quan trọng và khu vực phi hành đoàn.

• Khác:

  • Tấm giáp chống bom.

  • Lớp giáp bảo vệ cho các thiết bị có giá trị cao và nhạy cảm về trọng lượng như máy bay không người lái.