Seuraavan sukupolven Ballistiset Keraamit BalKer

Transkriptio

1 Seuraavan sukupolven Ballistiset Keraamit BalKer MATINE tutkimusseminaari Tomi Lindroos, Matti Lindroos, Anssi Laukkanen VTT

2 Projektin perustiedot Seuraavan sukupolven Ballistiset Keraamit BalKer, projektikoodi 2500M-0085 Projekti on suunniteltu kaksivuotiseksi alkaen ja päättyen Rahoitus 2018: MATINE , VTT 17732, Ohjausryhmä: Tomi Lindroos, VTT Ilkka Laine, (Paavo Raerinne), PVTUTKL Jukka Kemppainen, Exote Oy Pekka Lintula, Nammo Lapua Oy

3 Tavoitteet Projektin kokonaistavoitteena on kehittää työkaluja ja menetelmiä seuraavan sukupolven ballistisen keraamin kehittämiseksi mahdollistaen suorituskyvyn (suojaustaso / neliöpaino) kasvattamisen. Tutkimusta ohjaa hypoteesi: Kaksifaasinen lamellaarin keraamirakenne jakaa ballistisen iskun energiaa tehokkaammin ja kasvattaa näin ballistista suorituskykyä Kokonaistavoite koostuu seuraavista osatavoitteista Mallinnusavusteisen materiaalisuunnittelun hyödyntäminen luontoa jäljittelevän rakenteen valmistuksessa. Mallinnuksen avulla määrittää suuntaviivat kokeelliselle tutkimukselle ja näin nopeuttaa kehitystä. Valmistaa hienojakoisen lamellaarisen mikrorakenteen omaavaa kaksifaasikeraamia reaktiivista kuumapuristusta hyödyntäen Todentaa lamellaarisella rakenteella saavutettava suorituskyvyn kasvu sekä simuloimalla että käytännön ammuntakokein Tavoiteltava neliöpaino keraamille < 40 kg/m 2, suojaustasolle NIJ STD taso IV. Tämä mahdollistaisi taktisten suojaliivien lisälevyn (ESAPI-levy, L-koko) kohdalla noin 20% keventämisen verrattuna kaupalliseen BAE Systemsin vastaavaan 2,9 kg painoiseen levyyn [1]. 1 Hard Body Armor Insert Plates BAE Systems (2008)

4 Yhteenveto 2017 Lähtökohdat 2018 Idea kaksifaasikeraamin toiminnasta osoitettu mallinuksella toimivaksi Kehitetty mallinnustyökaluja faasisuhteiden sekä dimensioiden vaikutusten analysoimiseksi Valmiudet oikean kaksifaasisen keraamin mallintamiseen Valmistettu reaktiivisella kuumapuristuksella kaksifaasista B4C-Al2O3 keraamia Hienojakoinen 2-faasinen rakenne joka koostuu tiiviistä Al2O3 faasista ja huokoisesta B4C faasista, prosessiparametreissa vielä säädettävää Lamellaarinen rakenne menetetään kun huokoisuus vähenee, ilmiö selitettävissä valmistustekniikalla Lamellaarisuus tuotettava valmistusmenetelmän kautta, esikokeet käynnissä 2018 siirrytään kerrostettuihin rakenteisiin B4C-Al2O3 TiC-Ni

5 2018 Tehtävät Kerrostettujen rakenteiden valmistus Millä menetelmällä voidaan luoda lamellaarinen rakenne? Kerrostettujen rakenteiden testaus Koekappaleista kuvattujen mikrorakenteiden käyttämien malleissa Faasien ominaisuudet lähtöarvot malleihin Ammuntakokeet ja tulosten vertailu laskennallisiin tuloksiin? Ohjausryhmä : keskitytään kehittämään menetelmää joka tuottaa lamellaarisen rakenteen simuloinnit + ammunnat 5

6 Manufacturing of lamellar structure Development of processing routes enabling formation of lamellar structure 1) Dosing raw material by layer to mold Pre-test with B4C-Al2O3 + TiC-Ni composition Layered lamellar structure achieved but stresses between layers are causing fracturing Innovated novel method which enables formation of ceramic B4C-Al2O3 phase as oriented lamellar structure. Pre-tests showed promising results, clearly oriented structure formed structure for the first simulations based on real microstructure Despite of intensive optimization of process parameters B4C phase contains porosity melting point 2,763 C Hard phase changed to TiC-Al2O3 6

7 Multi-face CMC 70/30 50/50 30/70 Manufactured multiphase ceramic-metal composites with different phase factions Hard phase TiC-Al2O3 Ductile phase TiC-Ni 05/12/2018 7

8 Detected phases EDS mapping to detect distribution of elements EDS results proves XRD results about TiC-Al2O3-Ni phase structure Not remarkable mixing between Hard and Ductile phases in the case 30/70 composition bit more in the case of 70/30 05/12/2018 8

9 Detecting phases to model Image analysis is used to detect phases from microstructure to generate simulation model Hardness of different phases measured HV5 RED 1304 GREEN 2253 YELLOW 1847 VIOLET /12/2018 9

10 Microscopic modeling Case: TiC-Ni + TiC-Al2O3

11 Material modeling Phase dependent strength and failure models Property distribution (e.g., tensile strength) due to internal flaws (porosity, etc.)

12 Simulation model setup Projectile Microstructure Large microstructure block is used to reveal damage mechanisms in the different compositions

13 Damage evolution during impact Projectile removed from the images 7 mm T = 1 microsecond T = 3 microseconds 30TiC-Ni + 70 TiC-Al2O3

14 Damage evolution during impact Lateral cracks Crushing Lateral cracks Crushing of armor also crushes projectile material effeciently 7 mm Radial cracks Radial cracks Median crack Branching with lateral microstructure Crack branching is beneficial in terms of energy distribution in the microstructure projectile energy is consumed efficiently in the material T = 3 microseconds 30TiC-Ni + 70 TiC-Al2O3

15 Macroscopic model: PART II TiC-Ni + TiC-Al2O3 Hard metal projectile (WC-Co) Composite/Ceramic armor (TiC-Ni + TiC-Al2O3) Steel (Ramor500) Varying material properties according to phases Projectile Varying phase distributions (and volume fractions) Composite/Ceramic armor (TiC-Ni + TiC-Al2O3) Steel (Ramor500)

16 70% TiC-Ni + 30% TiC-Al2O3 6mm + 4mm: Penetrated, with 6.7% kinetic energy and 14% projectile mass 9mm + 4mm: Penetration possible, with 0.1% kinetic energy and 1% projectile mass 12mm + 4mm: Stopped, projectile destroyed to pieces

17 100% TiC-Ni 6mm + 4mm: Penetrated, with 8% kinetic energy and 16% projectile mass 9mm + 4mm: Penetration not likely, projectile destroyed to pieces 12mm + 4mm: Stopped, projectile destroyed to pieces

18 Test plates Test plates were manufactured for ballistic testing D 100 mm at VTT and 100 mm x 100 mm at Exote 05/12/

19 Conclusions - modeling Microstructure modeling Direct adaptation of manufactured microstructures to a computational model can be done in straightforward manner Modeling of failure and linking microstructural characteristics has been initiated and demonstrated Stress and shock conditions Failure model captures the most essential failure mechanisms, and they can be visualized and quantitavely analyzed Material spreads the failure around the microstructure, depending on the phase distributions and their strength Failure mechanisms Failure of the materials was identified to include 3 stages in the impact situation 1) Crushing zone at the initial impact site exhibits crushing of the armor, but it also effectively deteriorates the projectile (crushes the bullet) 2) Tensile failure is expected in lateral and radial directions around the crushing zone, but the energy is consumed in the designed way: along the lateral microstructural features 3) Median crack forms due to sharp object impact, but the microstructures are capable of branching the failure horizontally along the microstructure energy is consumed in beneficial way Performance According to simulations 70% TiC-Ni + 30 % TiC-Al2O3 provides similar good performance as 100% TiC-Ni, but with slightly lower weight

20