PL235452B1 - Kompozyt ceramiczno-polimerowy i sposób wytwarzania kompozytu ceramiczno-polimerowego - Google Patents
Kompozyt ceramiczno-polimerowy i sposób wytwarzania kompozytu ceramiczno-polimerowego Download PDFInfo
- Publication number
- PL235452B1 PL235452B1 PL423341A PL42334117A PL235452B1 PL 235452 B1 PL235452 B1 PL 235452B1 PL 423341 A PL423341 A PL 423341A PL 42334117 A PL42334117 A PL 42334117A PL 235452 B1 PL235452 B1 PL 235452B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- ceramic
- poly
- shear
- composite
- silica
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 10
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 48
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 24
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229920000151 polyglycol Polymers 0.000 claims abstract description 10
- 239000010695 polyglycol Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims abstract 2
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims abstract 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 50
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 21
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims description 14
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 13
- -1 poly (oxypropylene) Polymers 0.000 claims description 12
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 12
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 9
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims description 8
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 6
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 6
- ZJCCRDAZUWHFQH-UHFFFAOYSA-N Trimethylolpropane Chemical group CCC(CO)(CO)CO ZJCCRDAZUWHFQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 4
- KLOIYEQEVSIOOO-UHFFFAOYSA-N carbocromen Chemical compound CC1=C(CCN(CC)CC)C(=O)OC2=CC(OCC(=O)OCC)=CC=C21 KLOIYEQEVSIOOO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 4
- 125000006353 oxyethylene group Chemical group 0.000 claims description 4
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 4
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 claims description 4
- 239000002993 sponge (artificial) Substances 0.000 claims description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 3
- 125000003827 glycol group Chemical group 0.000 claims description 3
- 150000002334 glycols Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 claims description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 2
- 229920000609 methyl cellulose Polymers 0.000 claims description 2
- 239000001923 methylcellulose Substances 0.000 claims description 2
- QSGNIZYSOOADSE-UHFFFAOYSA-N penta-1,4-dienylbenzene Chemical compound C=CCC=CC1=CC=CC=C1 QSGNIZYSOOADSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002609 medium Substances 0.000 claims 3
- BYFGZMCJNACEKR-UHFFFAOYSA-N aluminium(i) oxide Chemical compound [Al]O[Al] BYFGZMCJNACEKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 claims 2
- DNIAPMSPPWPWGF-GSVOUGTGSA-N (R)-(-)-Propylene glycol Chemical compound C[C@@H](O)CO DNIAPMSPPWPWGF-GSVOUGTGSA-N 0.000 claims 1
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical group OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 235000010981 methylcellulose Nutrition 0.000 claims 1
- SONHXMAHPHADTF-UHFFFAOYSA-M sodium;2-methylprop-2-enoate Chemical compound [Na+].CC(=C)C([O-])=O SONHXMAHPHADTF-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- 239000002492 water-soluble polymer binding agent Substances 0.000 claims 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 abstract description 14
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 14
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 14
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 13
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229920000271 Kevlar® Polymers 0.000 description 7
- 239000004699 Ultra-high molecular weight polyethylene Substances 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 7
- 229920000785 ultra high molecular weight polyethylene Polymers 0.000 description 7
- 239000004761 kevlar Substances 0.000 description 6
- 238000011160 research Methods 0.000 description 6
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 6
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 5
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 5
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 description 4
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920001451 polypropylene glycol Polymers 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 3
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000009969 flowable effect Effects 0.000 description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004705 High-molecular-weight polyethylene Substances 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-M Methacrylate Chemical compound CC(=C)C([O-])=O CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000808 amorphous metal alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004760 aramid Substances 0.000 description 2
- 229920006231 aramid fiber Polymers 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 2
- 239000006262 metallic foam Substances 0.000 description 2
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- 101710149636 50S ribosomal protein L18, chloroplastic Proteins 0.000 description 1
- BSYNRYMUTXBXSQ-UHFFFAOYSA-N Aspirin Chemical compound CC(=O)OC1=CC=CC=C1C(O)=O BSYNRYMUTXBXSQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 1
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 125000001931 aliphatic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009694 cold isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 238000012669 compression test Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000004512 die casting Methods 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000006261 foam material Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 1
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052809 inorganic oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N phenol group Chemical group C1(=CC=CC=C1)O ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920001225 polyester resin Polymers 0.000 description 1
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 description 1
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 229920005749 polyurethane resin Polymers 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002759 woven fabric Substances 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
- Aiming, Guidance, Guns With A Light Source, Armor, Camouflage, And Targets (AREA)
Abstract
Przedmiotem zgłoszenia jest kompozyt ceramiczno-polimerowy, zawierający fazę ciągłą i fazę rozproszoną, w którym fazę ciągłą stanowi porowaty materiał ceramiczny Al2O3 lub ZrO2 lub SiC o porowatości otwartej w zakresie 10 - 95%, a fazę rozproszoną stanowi zawiesina zagęszczana ścinaniem zawierająca krzemionkę w medium dyspergującym, którym jest glikol i/albo poliglikol. Zgłoszenie obejmuje także sposób wytwarzania takiego kompozytu.
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem zgłoszenia patentowego są materiały kompozytowe oparte na ceramicznych strukturach porowatych wypełnionych cieczą zagęszczaną ścinaniem i sposób wytwarzania takiego kompozytu.
Wiele materiałów ceramicznych znajduje zastosowanie w systemach obronnych m.in. w produkcji paneli przeciwuderzeniowych, posiadających zdolność do ochrony przed pociskami, odłamkami materiałów wysokoenergetycznych czy też falami uderzeniowymi. Od dziesiątek lat materiały ceramiczne wykorzystywane są do produkcji pancerzy, osłon pojazdów bojowych czy punktów strategicznych. Właściwości ceramiki, w tym duża odporność na wysokie temperatury, a także duża twardość i wytrzymałość mechaniczna powodują, iż jej zastosowanie przynosi znaczne korzyści w porównaniu z tworzywami sztucznymi czy metalami. Dzięki wymienionym parametrom materiały ceramiczne stanowią podstawę najbardziej wytrzymałych pancerzy ochronnych. Obecnie wiele prac badawczych poświęconych jest rozwijaniu technologii pancernych materiałów kompozytowych, opartych na wyspecjalizowanych materiałach ceramicznych, metalowych oraz polimerowych, w celu zwiększenia stopnia ochrony balistycznej.
W 1991 roku grupa Stanlaya Abkowitza [US 4987033] opatentowała opancerzone płyty, których ceramiczny rdzeń był otoczony stopem metali. Rdzeń stanowiły odpowiednio tlenek glinu (AI2O3), węglik boru (B4C) lub borek tytanu (T1B2). Zastosowanie takich materiałów było podyktowane ich dużą twardością, przy stosunkowo niewielkiej gęstości. Jednakże istotną wadą ceramiki w zastosowaniach pancernych jest jej kruchość, która powoduje utratę właściwości pancerza po pierwszym uderzeniu. Z tych właśnie powodów naukowcy zastosowali stop aluminium, stop tytanu, glinu oraz wanadu (Ti-6Al-4V) lub tytan pełniący rolę metalicznego płaszcza. Warstwa metalu została utworzona z wykorzystaniem technologii izostatycznego prasowania proszku metalicznego na zimno lub gorąco oraz spiekania próżniowego. Badacze wykazali, że ogromny wpływ na właściwości protekcyjne wytworzonych materiałów kompozytowych ma charakter oddziaływań na złączu metal/ceramika. W przypadku, gdy połączenie to ma jedynie charakter mechaniczny, odporność na uderzenia powstałego kompozytu jest bezpośrednio związana z wytrzymałością i ciągliwością metalu. W przypadku zastosowania kompozytu TiB2 ze stopem tytanu lub stopem Ti-6Al-4V zaobserwowano znaczące wiązanie chemiczne na granicy metal-ceramika. Testy balistyczne udowodniły, że te materiały wykazywały najlepsze właściwości protekcyjne. W tych przypadkach wszelkie obciążenia przyłożone do próbki były absorbowane zarówno przez warstwę metalu, jak i ceramiczny rdzeń. Warto też zaznaczyć, iż płyty te wykazywały powtarzalny stopień protekcji przy kilku kolejnych uderzeniach.
Podobna koncepcja została opatentowana w 2007 roku [US 715715 B2], Steven Collier i Atakan Peker opracowali kompozytowe, antybalistyczne płyty w oparciu o połączenie gęstego rdzenia ceramicznego (AI2O3, B4C, SiC, Si3N4, TiB2) enkapsulowanego w metalu. W tym przypadku jako metal wykorzystano amorficzne stopy metali o ściśle określonych parametrach: granicy plastyczności co najmniej 1.6 GPa oraz granicy sprężystości co najmniej 1,2%. Były nimi stopy (Zr,Ti)a(Ni,Cu,Fe)b(Be,Al,Si,B)c gdzie 30 < a < 75, 5 < b < 60, 0 < c < 50 lub (Zr,Ti)a(Ni,Cu)b(Be)c gdzie 40 < a < 75, 5 < b < 50, 5 < c < 50 lub (Zr)a(Nb,Ti)b(Ni,Cu)c(Al)d gdzie 45 < a < 65, 0 < b < 10, 20 < c < 40, 7,5 < d < 15 lub Zr-Ti. Ponadto rdzeń ceramiczny został enkapsulowany w metalu z wykorzystaniem techniki odlewania pod ciśnieniem. Dzięki temu, że stopy amorficzne zachowują płynność w zakresie temperatur od temperatury topnienia do temperatury zeszklenia, podczas chłodzenia nie powstają naprężenia na tyle znaczne, aby spowodować destrukcję ceramicznego rdzenia. Co więcej, nieznaczne naprężenia ściskające działające na rdzeń ceramiczny wpływają korzystnie na jego właściwości zwiększając jego wytrzymałość na rozciąganie. Dzięki wysokiej elastyczności amorficznego stopu metali, po trafieniu pociskiem, kompozytowa płyta antybalistyczna zachowuje w znacznym stopniu swoje właściwości protekcyjne. Ceramiczny rdzeń, pomimo pęknięć, dalej utrzymywany jest w miejscu, a propagacja zniszczeń w materiale ceramicznym jest ograniczona.
Kolejne rozwiązanie z wykorzystaniem gęstego monolitu ceramicznego, zostało ujęte w opisie patentowym z 2002 roku [US 6389594 B1]. W tym przypadku wynalazcy zaproponowali metodę zamknięcia ceramicznego rdzenia, wykonanego z takich materiałów jak AI2O3, B4C, SiC, SiN4,TiB2 czy też WC, osadzonego na antybalistycznym podłożu tekstylnym (np. z włókien aramidowych, włókien szklanych, polietylenu o wysokim ciężarze cząsteczkowym czy Zylonu®) w płaszczu z utwardzonej żywicy epoksydowej, poliestrowej, fenolowej lub poliuretanowej. Podobnie jak rozwiązanie opisane w opisie patentowym US 715715 B2, również tego typu płyty potrafią zachować zdolności protekcyjne w przy
PL 235 452 B1 padku trafień kilku kolejnych pocisków. Wiele podobnych rozwiązań, których główny składnik antybalistyczny stanowi monolityczna płyta wykonana z gęstego materiału ceramicznego, charakteryzującego się bardzo dużą twardością, zostało szczegółowo opisanych przez E. Medvedovskiego [E. Medvedovski, Ballistic performance of armour ceramics: Influence of design and structure. Part 1, Ceramics International, 2010, 36, 2103-2115].
Z literatury naukowej znane są też inne rozwiązania pozwalające na otrzymanie kompozytowych elementów antybalistycznych posiadających w swej strukturze wkład wykonany z materiału ceramicznego. Jednym z takich przykładów jest koncepcja opracowana przez naukowców z Chin [W. Liu et al., Influence of different back laminate layers on ballistic performance of ceramic composite armor, Materials and Design, 2015, 87, 421-427] [W. Liu et al, Design and ballistic penetration of the ceramic composite armor, Composites Part B, 2016, 84, 33-40]. Badacze przedstawili w swych publikacjach sposób otrzymywania wielowarstwowych pancerzy. W każdym z przygotowanych przez nich kompozytów pierwszą warstwę stanowiły cylindry o wymiarach 18 mm średnicy oraz 18 mm wysokości wykonane z tlenku glinu. Ceramiczne cylindry ułożone zostały w wielu sąsiadujących rzędach i kolumnach, połączonych za pomocą silikonowego kauczuku, tworząc w ten sposób prostokątną warstwę o wymiarach 150 x 150 mm. Tylną warstwę pancerza stanowił natomiast dwu lub trzywarstwowy laminat ze stopu tytanu, glinu oraz wanadu (Ti-6Al-4V), polietylenu o wysokim ciężarze cząsteczkowym (UHMWPE), włókna węglowego lub stopu aluminium w odpowiedniej konfiguracji. Przeprowadzone badania numeryczne, a także testy balistyczne udowodniły, iż niektóre z opracowanych materiałów kompozytowych nie uległy całkowitej penetracji przez pocisk 12,7 mm (miedziany płaszcz i stalowy rdzeń) lecącego z szybkością około 818 m/s. Szczególnie wytrzymały okazał się być pancerz posiadający 10 mm trzywarstwowy tylny laminat: Ti-6Al-4V (3 mm) - UHMWPE (5 mm) - Ti-6Al-4V (2 mm). Zastosowanie H-6Al-4V jako podłoża zarówno do pierwszej, ceramicznej warstwy kompozytu, jaki i do warstwy UHMWPE pozwoliło tym warstwom na zaabsorbowanie bądź rozproszenie większej ilości energii pocisku. Bardzo podobne rozwiązanie przedstawił w swej pracy również Dean Hu i inni. [D. Hu, Y. Zhang, Z. Shen, Q. Cai, Investigation on the ballistic behavior of mosaic SiC/UHMWPE composite armor systems, Ceramics International, 2017, 43, 10368-10376]. Różnica polegała na tym, iż pierwsza ceramiczna warstwa o grubości 8 mm była wykonana nie z tlenku glinu, a z bardziej wytrzymałego węgliku krzemu, zaś tylną warstwę stanowił laminat UHMWPE również o grubości 8 mm. Ponadto warstwa ceramiczna była skonstruowana na trzy różne sposoby. Pierwszym z nich było ułożenie cylindrów o średnicy podstawy ok. 13 mm w wielu sąsiadujących rzędach i kolumnach. Drugi i trzeci sposób opierał się na ułożeniu szczelnej płyty wykonanej z elementów sześciokątnych (o krótszej przekątnej wynoszącej 30 mm) oraz kwadratowych (o boku 50 mm). Ostatnie rozwiązanie okazało się być najbardziej efektywnym, bowiem tak przygotowany pancerz był odporny na pocisk 7,62 mm x 51 mm (miedziany płaszcz i stalowy rdzeń) lecący z szybkością 776 m/s. Wszystkie opisane wyżej rozwiązania mają jednak pewną wadę. Głównym elementem antybalistycznym w każdym z opracowanych pancerzy jest ceramiczny monolit o bardzo wysokiej gęstości (np. AI2O3 ~ 4 g/cm3, SiC » 3,2 g/cm3, SisN4 » 3,5 g/cm3, TiB2 ~ 4,5 g/cm3, W » 15,5 g/cm3), co znacznie wpływa na masę tego rodzaju kompozytów. Ponadto wytworzenie tego typu pancerzy jest również bardzo kosztowne.
Bardzo ciekawym rozwiązaniem pozwalającym na otrzymywanie antybalistycznych materiałów kompozytowych, charakteryzujących się niższą gęstością, wydaje się być zastosowanie struktur metalowych o znacznej porowatości - metalowych pianek. Wykorzystanie takiego materiału zostało przedstawione m.in. w publikacji autorstwa Matiasa Garci-Avila i innych [M. Garcia-Avila, M. Portanova, A. Rabiei, Ballistic performance of a composite metal foam-ceramic armor system, Procedia Materials Science, 2014, 4, 151-156]. Opracowana dwuwarstwowa struktura o grubości około 25 mm, składająca się z pierwszej ceramicznej warstwy wykonanej z B4C oraz z tylnej wykonanej z kompozytu stal-stal, wykazywała dużą zdolność do absorbowania/rozpraszania energii pocisku 7,62 x 51 mm M80 oraz 7,62 x 63 mm M2 w przeprowadzonych testach balistycznych zgodnie z amerykańską normą NIJ 0101.06. Tylna warstwa pancerza została wykonana ze stalowych sfer o średnicy 2 mm, osadzonych w matryc y proszkowej ze stali nierdzewnej techniką metalurgii proszków. Jednakże i to rozwiązanie opierało się również o wykorzystanie gęstego monolitu ceramicznego.
Zupełnie inne podejście, odrzucające wykorzystanie gęstych materiałów ceramicznych, zaprezentowali w swej publikacji naukowcy z Francji i Niemiec [A. Jung, E. Lach, S. Diebels, New hybrid foam materials for impact protection, International Journal of Impact Engineering, 2014, 64, 30-38]. Stworzyli oni pancerz oparty wyłącznie o spienioną formę materiału hybrydowego aluminium-nikiel oraz cienkie
PL 235 452 B1 aluminiowe płytki. W swoich badaniach wykorzystali dwa rodzaje aluminiowych pianek z otwartymi porami: pierwsza z nich charakteryzowała się porowatością równą 10 porów na cal, druga 30 porów na cal. Aluminium zostało pokryte 50 μm, 75 μm lub 150 μm powłoką nanokrystalicznego niklu w celu wzmocnienia jego struktury, wykorzystując w tym celu elektrochemiczne metody osadzenia niklu z jego elektrolitu opisane w publikacji Anne Jung et al. [A. Jung, M. R. Koblischka, E. Lach, S. Diebels, H. Natter, Hybrid Metal Foams. Mechanical Testing and Determination of Mass Flow Limitations During Electroplating, International Journal of Material Science, 2012, 2, 97-107]. Przygotowane pancerze składały się z 3 warstw aluminowo-niklowych pianek o grubości 10 mm każda, przełożonych i pokrytych aluminiowymi arkuszami o grubości 1 mm lub z 1 warstwy aluminowo-niklowej pianki o grubości 30 mm pokrytej z obu stron aluminiowymi arkuszami o grubości 1 mm. Takie pancerze zostały poddane dyn amicznym próbom ściskania przy użyciu rozdzielacza ciśnienia Hopkinsona, a także testom balistycznym na pociski kalibru 15 mm lecących z szybkością 300 m/s. Przeprowadzone badania wykazały, że przygotowane materiały odznaczały się dużą zdolnością do rozpraszania energii. Wykorzystanie pianek metalowych jako pochłaniaczy energii (zbroi, osłon pojazdów bojowych i kosmicznych) jest możliwe dzięki ich unikalnym właściwościom m.in. dużego odkształcenia takiego materiału przy prawie stałym naprężeniu. Jednakże, zgodnie z przeprowadzonymi przez naukowców badaniami, znaczna poprawa stopnia protekcji, pozwalająca na zatrzymanie pocisku, następuje w przypadku wypełnienia pustych przestrzeni pianek elastomerem - w tym przypadku silikonem. To oznacza, że gęstość całego kompozytu rośnie prawie trzykrotnie - przykładowo dla pancerza skonstruowanego z 3 warstw pianek i 4 płyt aluminiowych o łącznej grubości ok. 34 mm gęstość wynosi 1,06 g/cm3, zaś wypełnienie wolnych przestrzeni silikonem powoduje wzrost gęstości kompozytu do 2,73 g/cm3 a zatem i wzrost jego masy. Ponadto warto też zaznaczyć, że niewątpliwą wadą tego typu pancerzy jest ich znaczna grubość.
Obecnie opracowywane są również rozwiązania z wykorzystaniem cieczy zagęszczanych ścinaniem (ang. shear thickening fluid, STF). Zawiesiny te należą do grupy płynów nienewtonowskich czyli takich, których wartość tarcia wewnętrznego silnie zależna jest od przyłożonych sił ścinających. Naprężenia będące źródłem zmian zachodzących wewnątrz struktury skutkują częściowym zablokowaniem możliwości płynięcia, co powoduje gwałtowny wzrost lepkości tego rodzaju płynów. Proces ten jest odwracalny - wraz z zanikiem sił ścinających lepkość płynu maleje aż do osiągnięcia wartości początkowej. Z tych powodów płyny zagęszczane ścinaniem pod wpływem przyłożonej siły zewnętrznej wykazują chwilowo cechy typowe dla ciała stałego (sztywność, twardość). Z tego względu zawiesiny zagęszczane ścinaniem, jak również materiały kompozytowe z ich udziałem, mają ogromny potencjał w produkcji systemów przeznaczonych do rozpraszania drgań, wstrząsów i energii uderzeń. Do preparatyki STF wykorzystuje się głównie krzemionkę - SiO2 (lub inny nieorganiczny tlenek np. TiO2, AI2O3, ZrO2), która zdyspergowana jest w organicznej cieczy np. poliglikolach o prostym lub rozgałęzionym łańcuchu i o różnym ciężarze cząsteczkowym. Unikalne parametry reologiczne cieczy zagęszczanych ścinaniem o zwiększonym potencjale rozpraszania energii w połączeniu ze zwiększonym modułem sprężystości wykorzystali amerykańscy naukowcy w badaniach nad opracowaniem tzw. ciekłych pancerzy [US 7226878 B2,] [Y.S. Lee, E.D. Wetzel, N.J. Wagner, The ballistic impact characteristicsof Kevlar® woven fabrics impregnated with a colloidal shear thickening fluid, Journal of Materials Science, 2003, 38, 2825-2833] [ED. Wetzel, Y.S. Lee, R.G. Egres, K.M. Kirkwood, J.E. Kirkwood, N.J. Wagner, The Effect of Rheological Parameters on the Ballistic Properties of Shear Thickening Fluid (STF) - Kevlar Composites. NUMIFORM 2004] [M. J Decker, C. J. Halbach, C.H. Nama, N.J. Wagner, E.D. Wetzel, Stab resistance of shear thickening fluid (STF)-treated fabrics, Composites Science and Technology, 2007, 67, 565-578]. Głównym celem badaczy była optymalizacja parametrów kamizelek kuloodpornych. Do ich produkcji stosuje się najczęściej tkaniny o dużej odporności na rozciąganie - maty wykonane z włókien aramidowych (np. Kevlar) czy też UHMWPE. Jednak pojedyncze warstwy tych materiałów nie są w stanie zatrzymać pocisku wystrzelonego z broni palnej. Z tego powodu, aby pancerz spełniał swoje zadanie musi być wykonany z wielu takich powłok (nawet kilkudziesięciu). To sprawia, że tradycyjne kamizelki kuloodporne są ciężkie i sztywne, co skutkuje ograniczeniem swobody ruchu użytkownika oraz niepełną ochroną ciała. Ponadto Kevlar i podobne materiały nie wykazują odporności na ciosy kłute i cięte, zatem stosunkowo łatwo jest je przebić nożem czy bagnetem. Naukowcy stworzyli więc lżejszy pancerz, cechujący się większą elastycznością oraz skuteczniejszą ochroną, zarówno przed bronią palną i ostrą bronią białą. Istotą tej koncepcji jest impregnacja kevlarowych mat zawiesinami wykazującymi efekt zagęszczania ścinaniem. W tym przypadku zawiesiny zawierały nanometryczną krzemionkę zdyspergowaną w glikolu etylenowym lub polietylenowym. Z przeprowadzonych
PL 235 452 B1 testów balistycznych wynika, że cztery warstwy impregnowanej tkaniny kevlarowej z użyciem STF odznaczają się porównywalnym stopniem protekcji, jak w przypadku zastosowania dziesięciu nieimpregnowanych mat kevlarowych. Stwarza to zatem możliwość wykonania kamizelki kuloodpornej z wykorzystaniem mniejszej liczby warstw tkaniny, co korzystnie wpływa na masę oraz elastyczność produktu. Na podstawie przeprowadzonych przez naukowców badań odporności na przebicie ostrzem wynika, że dodatek zawiesiny zagęszczanej ścinaniem pozytywnie wpływa na ochronę ciała również przed ciosami tego typu.
Wykorzystanie cieczy zagęszczanych ścinaniem w celu zwiększenia stopnia protekcji różnego rodzaju materiałów kompozytowych nadal jest obiektem zainteresowań naukowców z całego świata. Grupa Liang-Liang Sun skupiła swoje badania na impregnacji za pomocą STF (opartej o krzemionkę i glikol etylenowy) tkanin UHMWPE [S. Liang-Liang, X. Dang-Sheng, X. Cai-Yun, Application of Shear Thickening Fluid in Ultra High Molecular Weight, Polyethylene Fabric, Journal of Applied Polymer Science, 2013, 1922-1928.]. W tym przypadku wyniki przeprowadzonych testów wytrzymałościowych również wykazały korzystny wpływ impregnowania UHMWPE za pomocą cieczy zagęszczanych ścinaniem na zdolność do rozpraszania energii uderzenia.
Nigdy dotąd jednak ciecze zagęszczane ścinaniem nie były łączone z materiałami ceramicznymi w celu wytworzenia osłon militarnych.
Kompozyt ceramiczno-polimerowy według wynalazku zawiera fazę ciągłą i fazę rozproszoną. Fazę ciągłą stanowi porowaty materiał ceramiczny AI2O3 lub ZrO2 lub SiC o porowatości otwartej w zakresie 10-95%, a fazę rozproszoną stanowi zawiesina zagęszczana ścinaniem zawierająca krzemionkę w medium dyspergującym, którym jest glikol i/albo poliglikol.
Korzystnie medium dyspergującym jest glikol, poliglikol dwufunkcyjny: poli(oksyetylenowy), poli(oksypropylenowy) albo trójfunkcyjny na rdzeniu z trimetylolopropanu, najkorzystniej glikol poli(oksypropylenowy).
Korzystnie stosuje się glikole poli(oksypropylenowe) o ciężarze cząsteczkowym z zakresu 400-3000.
Korzystnie zawiesina zagęszczana ścinaniem zawiera krzemionkę otrzymaną metodą zol-żel lub metodą płomieniową.
Korzystnie zawiesina zagęszczana ścinaniem zawiera krzemionkę o sferycznym kształcie cząstek.
Korzystnie stosuje się krzemionkę o nominalnym rozmiarze cząstek od kilku do kilkuset nanometrów, korzystnie 5-900 nm.
Korzystnie zawiesina zagęszczana ścinaniem zawiera 25-60% objętościowych fazy stałej.
Korzystnie materiał ceramiczny jest otrzymany metodą osadzania ceramicznej masy lejnej na gąbce polimerowej.
Sposób wytwarzania kompozytu-ceramiczno-polimerowego polega według wynalazku na tym, że ceramiczną masą lejną zawierającą proszek AI2O3 i/albo SiC i/albo ZrO2 w ilości 35-55% obj., rozpuszczalnik organiczny i/albo wodę w ilości 65-35% obj., spoiwo w ilości 0,5-10% wag. w stosunku do fazy stałej oraz ewentualnie dodatki upłynniające w ilości 0,01-5% wag. w stosunku do fazy stałej, pokrywa się powierzchnię porów gąbki polimerowej, po czym tak przygotowaną strukturę poddaje się obróbce termicznej w temperaturze od 1200 do 2200°C, a następnie pory wypełnia się zawiesiną zagęszczaną ścinaniem zawierającą krzemionkę w medium dyspergującym, którym jest glikol lub poliglikol.
Korzystnie jako spoiwo stosuje się 5-10% roztwór polialkoholu winylowego), metylocelulozy lub innych wodorozcieńczalnych spoiw polimerowych, takich jak spoiwa akrylowo-styrenowe, allilowo-styrenowe, poliuretanowe itp. Korzystnie stosuje się 10%-owy roztwór poli(alkoholu winylowego).
Korzystnie jako dodatek upłynniający stosuje się wodorocytrynian diamonu, polimetakrylan sodu), Dispex A40, Darvan C, Duramax D-3005.
Korzystnie medium dyspergującym jest glikol, poliglikol dwufunkcyjny: poli(oksyetylenowy), poli(oksypropylenowy) albo trójfunkcyjny na rdzeniu z trimetylolopropanu, najkorzystniej glikol poli(oksypropylenowy).
Korzystnie stosuje się glikole poli(oksypropylenowe) o ciężarze cząsteczkowym z zakresu 400-3000.
Korzystnie jako rozpuszczalnik organiczny stosuje się alkohol alifatyczny C1-C6, najkorzystniej etanol lub izopropanol.
Korzystnie zawiesina zagęszczana ścinaniem zawiera krzemionkę otrzymaną metodą zol-żel lub metoda płomieniową.
PL 235 452 B1
Korzystnie zawiesina zagęszczana ścinaniem zawiera krzemionkę o sferycznym kształcie cząstek.
Korzystnie stosuje się krzemionkę o nominalnym rozmiarze cząstek od kilku do kilkuset nanometrów, korzystnie 5-900 nm.
Korzystnie zawiesina zagęszczana ścinaniem zawiera 25-60% objętościowych fazy stałej.
W wyniku realizacji sposobu według wynalazku otrzymuje się materiały kompozytowe oparte na ceramicznych strukturach porowatych wypełnionych cieczą zagęszczaną ścinaniem. Jako ciecze zagęszczane ścinaniem można stosować te, które są znane z polskich opisów patentowych PL223803, PL226615, PL226564, PL227009 i polskich zgłoszeń patentowych P.405332, P.411435, P.420524. Obecność cieczy zagęszczanych ścinaniem w strukturach ceramicznych zwiększa ich zdolność do absorpcji energii w porównaniu do ceramicznego tworzywa porowatego oraz obniża masę w porównaniu do kształtek wykonanych tylko z ceramiki gęstej. Połączenie porowatej struktury ceramicznej i płynu zagęszczanego ścinaniem odznaczającego się zdolnością do rozpraszania energii przy niewielkiej jego gęstości (p » 1,4 g/cm3) w ten sposób, że wypełnia on pory struktury, jest doskonałym rozwiązaniem na stworzenie pancerza ochronnego lżejszego niż dotychczas znane. Energia uderzenia jest rozpraszana zarówno przez materiał ceramiczny, jak i płyn wypełniający jego pory. Ponadto obecność płynu zagęszczanego ścinaniem skutkuje tym, że energia nie jest kumulowana jedynie w miejscu uderzenia - drgania cząsteczek cieczy dyspergującej pozwalają na rozproszenie jej w całej objętości układu.
Kompozyt według wynalazku pełni funkcję osłony kompozytowej obiektów narażonych na wstrząsy, pociski, odłamki materiałów wysokoenergetycznych. Przewaga kompozytów w ochronie przed uderzeniami została potwierdzona testami absorpcji energii.
Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach wykonania.
P r z y k ł a d 1
Ceramiczny materiał porowaty otrzymano metodą odwzorowania struktury gąbek poliuretanowych. Zawartość fazy stałej (tlenku glinu) w ceramicznej masie lejnej wynosiła 53%. Dodatek środka upłynniającego (wodorocytrynian diamonu) wynosił 0,2% wagowych, a spoiwa (10%-owy roztwór polialkoholu winylowego)) wynosił 0,5% wagowych w stosunku do fazy stałej. Ceramiczną masę lejną zhomogenizowano w młynie planetarno-kulowym z prędkością 300 obr/min w czasie 45 minut. Następnie gąbki poliuretanowe o gęstości 25 kg/m3 i wielkości oczek 10 PPI o wymiarach 1,7 cm x 4,7 cm x 4,7 cm zanurzano w jednorodnej ceramicznej masie lejnej i jej nadmiar odciśnięto. Wysuszone struktury ceramiczno-polimerowe poddano procesowi spiekania w temperaturze 1600°C w atmosferze powietrza. Po procesie spiekania ceramiczne struktury porowate wypełniono cieczą zagęszczaną ścinaniem na bazie glikolu polipropylenowego o ciężarze cząsteczkowym 425 i krzemionki sferycznej o wielkości cząstek 100-200 nm o zawartości fazy stałej równej 50% objętościowych. Wypełnione gąbki wykazały w testach absorbcji energii średnią zdolność pochłaniania energii po pierwszym uderzeniu równą 95%, a po drugim uderzeniu 89%. Dla porównania gąbki z pustymi porami wykazały odpowiednio 79% i 57% absorpcji energii. Testy absorpcji energii wykonano z użyciem rejestratora z tensometrycznym czujnikiem siły CL18. Na próbki swobodnie opuszczano walec z energią potencjalną 15J.
P r z y k ł a d 2
Ceramiczny materiał porowaty otrzymano w sposób opisany w przykładzie 1 z tą różnicą że zawartość fazy stałej (tlenku glinu) wynosiła 55%. Po procesie spiekania ceramiczne struktury porowate wypełniono cieczą zagęszczaną ścinaniem na bazie glikolu polipropylenowego o ciężarze cząsteczkowym 425 i krzemionki sferycznej o wielkości cząstek 100-200 nm o zawartości fazy stałej równej 50% objętościowych. Wypełnione gąbki wykazały w testach absorbcji energii średnią zdolność pochłaniania energii po pierwszym uderzeniu równą 95% a po drugim uderzeniu 90%. Dla porównania gąbki z pustymi porami wykazały odpowiednio 85% i 66% absorpcji energii.
P r z y k ł a d 3
Ceramiczny materiał porowaty otrzymano w sposób opisany w przykładzie 1 z tą różnicą, że fazę stałą stanowił tlenek cyrkonu, a jego zawartość wynosiła 38% objętościowych. Dodatek środka upłynniającego (wodorocytrynian diamonu) wynosił 0,3% wagowych, a spoiwa (10%-owy roztwór polialkoholu winylowego)) wynosił 5% wagowych w stosunku do fazy stałej. Wysuszone struktury ceramiczno-polimerowe poddano procesowi spiekania w temperaturze 1600°C w atmosferze powietrza. Po procesie spiekania ceramiczne struktury gąbczaste wypełniono cieczą zagęszczaną ścinaniem na bazie glikolu polipropylenowego o ciężarze cząsteczkowym 425 i krzemionki sferycznej o wielkości cząstek 100-200 nm o zawartości fazy stałej równej 50% objętościowych. Wypełnione gąbki wykazały w testach absorbcji
PL 235 452 B1 energii średnią zdolność pochłaniania energii po pierwszym uderzeniu równą 95% a po drugim uderzeniu 90%. Dla porównania gąbki z pustymi porami wykazały odpowiednio 88% i 65% absorpcji energii.
P r z y k ł a d 4
Ceramiczny materiał porowaty otrzymano w sposób opisany w przykładzie 1 z tą różnicą, że fazę stałą stanowił węglik krzemu, a jego zawartość wynosiła 35% objętościowych. Dodatek środka upłynniającego (polimetakrylan sodu) wynosił 5% wagowych, a spoiwa (10%-owy roztwór polialkoholu winylowego)) wynosił 5% wagowych w stosunku do fazy stałej. Wysuszone struktury ceramiczno-polimerowe poddano procesowi spiekania w temperaturze 2200°C w atmosferze powietrza. Po procesie spiekania ceramiczne struktury gąbczaste wypełniono cieczą zagęszczaną ścinaniem na bazie glikolu polipropylenowego o ciężarze cząsteczkowym 425 i krzemionki sferycznej o wielkości cząstek 100-200 nm o zawartości fazy stałej równej 50% objętościowych. Wypełnione gąbki wykazały w testach absorbcji energii średnią zdolność pochłaniania energii po pierwszym uderzeniu równą 89% a po drugim uderzeniu 85%. Dla porównania gąbki z pustymi porami wykazały odpowiednio 84% i 67% absorpcji energii.
Claims (18)
- Zastrzeżenia patentowe1. Kompozyt ceramiczno-polimerowy, zawierający fazę ciągłą i fazę rozproszoną, w którym fazę ciągłą stanowi porowaty materiał ceramiczny AI2O3 lub ZrO2 lub SiC o porowatości otwartej w zakresie 10-95%, znamienny tym, że fazę rozproszoną stanowi zawiesina zagęszczana ścinaniem zawierająca krzemionkę w medium dyspergującym, którym jest glikol i/albo poliglikol.
- 2. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że medium dyspergującym jest poliglikol dwufunkcyjny: poli(oksyetylenowy), poli(oksypropylenowy) albo poliglikol trójfunkcyjny na rdzeniu z trimetylolopropanu, najkorzystniej glikol poli(oksypropylenowy).
- 3. Kompozyt według zastrz. 2, znamienny tym, że medium dyspergującym jest glikol poli(oksypropylenowy) o ciężarze cząsteczkowym z zakresu 400-3000.
- 4. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiesina zagęszczana ścinaniem zawiera krzemionkę otrzymaną metodą zol-żel lub metodą płomieniową.
- 5. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiesina zagęszczana ścinaniem zawiera krzemionkę o sferycznym kształcie cząstek.
- 6. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiesina zagęszczana ścinaniem zawiera krzemionkę o nominalnym rozmiarze cząstek od 5 do 900 nm.
- 7. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiesina zagęszczana ścinaniem zawiera 25-60% objętościowych fazy stałej.
- 8. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał ceramiczny jest otrzymany metodą osadzania ceramicznej masy lejnej na gąbce polimerowej.
- 9. Sposób wytwarzania kompozytu-ceramiczno-polimerowego, w którym ceramiczną masą lejną zawierającą proszek AI2O i/albo SiC i/albo ZrO2 w ilości 35-55% objętościowych, rozpuszczalnik organiczny lub wodę w ilości 65-35%, spoiwo w ilości od 0,5 do 10% wagowych w stosunku do fazy stałej oraz ewentualnie dodatki upłynniające w ilości od 0,01 do 5% wagowych w stosunku do fazy stałej pokrywa się powierzchnię porów gąbki polimerowej, po czym tak przygotowaną strukturę poddaje się obróbce termicznej w temperaturze od 1200 do 2200°C, znamienny tym, że pory materiału ceramicznego otrzymanego w wyniku obróbki termicznej wypełnia się zawiesiną zagęszczaną ścinaniem zawierającą krzemionkę w medium dyspergującym, którym jest glikol lub poliglikol.
- 10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że jako spoiwo stosuje się 5-10% roztwór poli(alkoholu winylowego), metylocelulozy lub innych wodorozcieńczalnych spoiw polimerowych takich jak spoiwa akrylowo-styrenowe, allilowo-styrenowe, poliuretanowe.
- 11. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że jako dodatek upłynniający stosuje się wodorocytrynian diamonu, poli(metakrylan sodu).
- 12. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że jako medium dyspergujące stosuje się poliglikol dwufunkcyjny: poli(oksyetylenowy), poli(oksypropylenowy) albo trójfunkcyjny na rdzeniu z trimetylolopropanu.
- 13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że stosuje się glikole poli(oksypropylenowe) o ciężarze cząsteczkowym z zakresu 400-3000.8 PL 235 452 B1
- 14. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że jako rozpuszczalnik organiczny stosuje się alkohol alifatyczny C1-C6.
- 15. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że stosuje się zawiesinę zagęszczaną ścinaniem zawierającą krzemionkę otrzymaną metodą zol-żel lub metodą płomieniową.
- 16. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że stosuje się zawiesinę zagęszczaną ścinaniem zawierającą krzemionkę o sferycznym kształcie cząstek.
- 17. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że stosuje się krzemionkę o nominalnym rozmiarze cząstek od 5 do 900 nm.
- 18. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że stosuje się zawiesinę zagęszczaną ścinaniem zawierającą 25-60% objętościowych fazy stałej.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL423341A PL235452B1 (pl) | 2017-11-02 | 2017-11-02 | Kompozyt ceramiczno-polimerowy i sposób wytwarzania kompozytu ceramiczno-polimerowego |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL423341A PL235452B1 (pl) | 2017-11-02 | 2017-11-02 | Kompozyt ceramiczno-polimerowy i sposób wytwarzania kompozytu ceramiczno-polimerowego |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL423341A1 PL423341A1 (pl) | 2019-05-06 |
| PL235452B1 true PL235452B1 (pl) | 2020-08-10 |
Family
ID=66341899
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL423341A PL235452B1 (pl) | 2017-11-02 | 2017-11-02 | Kompozyt ceramiczno-polimerowy i sposób wytwarzania kompozytu ceramiczno-polimerowego |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL235452B1 (pl) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100221521A1 (en) * | 2004-10-27 | 2010-09-02 | University of Delaware Office of the Vice Provost for Research | Shear thickening fluid containment in polymer composites |
| US20130061739A1 (en) * | 2010-02-11 | 2013-03-14 | Wun Chet Davy Cheong | Energy dissipation composite material |
| PL227009B1 (pl) * | 2015-02-16 | 2017-10-31 | Politechnika Warszawska | Sposób otrzymywania kompozytu zawierajacego ciecz zageszczana scinaniem |
-
2017
- 2017-11-02 PL PL423341A patent/PL235452B1/pl unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100221521A1 (en) * | 2004-10-27 | 2010-09-02 | University of Delaware Office of the Vice Provost for Research | Shear thickening fluid containment in polymer composites |
| US20130061739A1 (en) * | 2010-02-11 | 2013-03-14 | Wun Chet Davy Cheong | Energy dissipation composite material |
| PL227009B1 (pl) * | 2015-02-16 | 2017-10-31 | Politechnika Warszawska | Sposób otrzymywania kompozytu zawierajacego ciecz zageszczana scinaniem |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| SZAFRAN M., LIPIEC W., OKOWIAK J., KONOPKA K., KURZYDŁOWSKI K.J.: "2003", NOWE KOMPOZYTY CERAMIKA-POLIMER O OSNOWIE Z CERAMICZNEGO TWORZYWA POROWATEGO Z TLENKU GLINU * |
| W. LIPIEC, M. SZAFRAN: "2004", KOMPOZYTY CERAMIKA-POLI(METAKRYLAN METYLU) O OSNOWIE Z CERAMICZNEGO TWORZYWA POROWATEGO Z TLENKU GLINU OTRZYMANEGO METODĄ OSADZANIA CERAMICZNEJ MASY LEJNEJ NA PODŁOŻU POLIMEROWYM * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL423341A1 (pl) | 2019-05-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Haro et al. | The energy absorption behavior of hybrid composite laminates containing nano-fillers under ballistic impact | |
| Akella et al. | Composite armour—A review | |
| US6203908B1 (en) | Composite armor | |
| Medvedovski | Ballistic performance of armour ceramics: Influence of design and structure. Part 2 | |
| AU719951B2 (en) | Ceramic bodies for use in composite armor | |
| US8628857B2 (en) | Ballistic plate and method of fabrication thereof | |
| US20050266748A1 (en) | Advanced body armor utilizing shear thickening fluids | |
| Samir et al. | Preparation and characterization of bullet-proof vests based on polyamide fibers | |
| Reddy et al. | Ceramic composite armour for ballistic protection | |
| Akella | Multilayered ceramic-composites for armour applications | |
| KR20230156920A (ko) | 제어된 기공 크기 분산을 갖는 세라믹 방호물 | |
| EA003049B1 (ru) | Применение элементов из упрочненного волокнами композиционного материала с керамической матрицей | |
| Haro et al. | Ballistic impact performance of hybrid composite armors made of aluminum foam containing the dispersion of shear thickening fluid made of various synthetic nano-fillers | |
| CN110438362A (zh) | 一种多尺度多形状陶瓷相增强铝基抗弹结构复合材料及其制备方法 | |
| KR102336916B1 (ko) | 장갑 판 | |
| Colombo et al. | Ceramic–polymer composites for ballistic protection | |
| Chabera et al. | Fabrication and characterization of composite materials based on porous ceramic preform infiltrated by elastomer | |
| PL235452B1 (pl) | Kompozyt ceramiczno-polimerowy i sposób wytwarzania kompozytu ceramiczno-polimerowego | |
| KR20230043866A (ko) | 프로파일링된 차폐물 요소 | |
| JP5405844B2 (ja) | 耐衝撃部材 | |
| Patel et al. | Functionally Graded Materials for Defense Applications—A Critical Review | |
| Sheikhi et al. | Shear thickening fluid in spall-liner applications | |
| Chen et al. | Ballistic resistance of silicon-carbide-based ceramic and ultrahigh-molecular-weight polyethylene composite armor | |
| Chabera | Fabrication and characterization of lightweight ceramic/polyurethane composites | |
| RU2491494C1 (ru) | Бронепанель пулезащитная |