Seuraavan sukupolven Ballistiset Keraamit (BalKer)

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Seuraavan sukupolven Ballistiset Keraamit (BalKer)"

Elina Laaksonen
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND LTD Seuraavan sukupolven Ballistiset Keraamit (BalKer) MATINE tutkimusseminaari Tomi Lindroos, Matti Lindroos

2 Sisältö 1. Projektin perustiedot 2. Tavoitteet 3. Tausta 4. Tutkimusta ohjaavat kysymykset 5. Tehtävät 13/11/2017 2

3 Projektin perustiedot Seuraavan sukupolven Ballistiset Keraamit BalKer, projektikoodi 2500M-0075 Projekti on suunniteltu kaksivuotiseksi alkaen ja päättyen Rahoitus 2017: MATINE , VTT 17732, Ohjausryhmä: Tomi Lindroos, VTT Ilkka Laine, (Paavo Raerinne), PVTUTKL Jukka Kemppainen, Exote Oy Pekka Lintula, Nammo Lapua Oy 13/11/2017 3

4 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 nopeutta 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) 13/11/2017 4

5 TAUSTA MATINE Balma projektin tulosten hyödyntäminen Mallinnusavusteinen materiaalisuunnittelu Synteettiset mikrorakennemallit Makrotason käyttäytyminen Multiple tests has shown that critical thickness is ~7 mm when packing is correct simulations have good correlation! 13/11/2017 5

6 High Speed Camera tests Verification data for models P80 Exote 7mm Polycarbonate backing fps 13/11/2017 6

7 7 mm Exote + PC tausta, P-80 7

8 13/11/2017 8

9 Biomimetic composites A novel biomimetic approach to the design of high-performance ceramic metal composites Maximilien E. Launey, Published 14 October DOI: /rsif

10 Biomimetic composites learning from nature [1] Biologically inspired crack delocalization in a high strain-rate environment C. Knipprath et.al., J. R. Soc. Interface (2012) 13/11/

11 Biomimetic composites 13/11/

12 Tehtävät 2017 Synteettiset mikrorakennemallit Luodaan synteettisiä B 4 C-Al 2 O 3 mikrorakennemalleja joiden avulla tutkitaan faasiosuuksien, kokojakauman ja muodon vaikutusta materiaalin käyttäytymiseen ballistisessa iskussa Kaksifaasikeraamit ja reaktiivinen kuumapuristus Ensisijainen koostumus B 2 O 3 + SiO 2 + Al + C => (B, Si) 4 C + Al 2 O 3 Materiaalikoostumuksen ja reaktiokinetiikan säätö, peruslähtöaineiden (B 2 O 3, Al, C) suhteiden säätö, sekä mahdolliset lisäaineen (SiO 2, Mg, B) 13/11/

13 Synteettiset mikrorakennemallit

Model description 3 stage modeling concept Macroscopic model White = Al2O3 Red = B4C Blue = Steel Click to edit Master title style PERFORMANCE Click to edit Master text styles 58 mm Second

14 Model description 3 stage modeling concept Macroscopic model White = Al2O3 Red = B4C Blue = Steel Click to edit Master title style PERFORMANCE Click to edit Master text styles 58 mm Second level Third level Fourth level Fifth level Length/time scale Microstructure model (Exote) E.g., um (for current material) Matrix aluminium oxide 300/100 um 4.5 mm B4C Mesoscale model 14

Macroscopic modeling Click to edit Master title style Click to edit Master text styles Possibilities Second level Third level Fourth level Fifth level

15 Macroscopic modeling Click to edit Master title style Click to edit Master text styles Possibilities Second level Third level Fourth level Fifth level Material solution performance in large scale Case-studies, e.g., Impact angle Impact velocity Projectile material Lightweight vs. ballistic resistance 15

16 Macroscale model Click to edit Master title style Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 16

17 0.5 mm layer thickness Halted (dashed lines) Click to edit Master title style Penetrated t25-1mm Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 1 mm layer thickness Penetrated Penetrated (1 mm layer thickness) (0.5 mm layer thickness) t25-0.5mm Halted Penetrated Penetrated Penetrated Halted t20-0.5mm t20-1mm t22.5-1mm t mm 17

Click to edit Master title style Meso-scale modeling Click to edit Master text styles Possibilities Second level Third level Fourth level Fifth

18 Click to edit Master title style Meso-scale modeling Click to edit Master text styles Possibilities Second level Third level Fourth level Fifth level Optimization of the general structure Meso-scale Microstructure Ballistic resistance Energy absorbing structure Lightweight Cost efficiency 18

19 Click to edit Master title style Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 19

oxide (matrix) + Boron carbides -- Idealized Second level Third level Fourth level Fifth level Carbide

20 Understanding effect of microstructure -- Idealized microstructures Click to edit Master title style Angularly oriented carbides distribute loading differently Click to edit Master text styles Aluminium oxide (matrix) + Boron carbides -- Idealized Second level Third level Fourth level Fifth level Carbide aspect ratio and shape factor? Tilted carbide structure Short carbide structure Long carbide structure 20

Aluminium oxide (matrix) + Boron carbides -- Idealized Tilted carbides Click to edit

Fifth level Short carbides Damage spreads around the matrix driven by carbide network The

$ballistic resistance of the material as the energy is consumed in in the fracture process$ $carbides increases the volume fraction of matrix cracking increases, but carbides provide$

21 Aluminium oxide (matrix) + Boron carbides -- Idealized Tilted carbides Click to edit Master title style Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level Short carbides Damage spreads around the matrix driven by carbide network The desired perpendicular crakcing in respect to impact direction (horizontal) increases ballistic resistance of the material as the energy is consumed in in the fracture process Tilted carbide structure projects fracture to alternative crack paths, increasing cracking but also consuming more energy; Optimization requires more studies Short carbides increases the volume fraction of matrix cracking increases, but carbides provide supporting effect 21

$level Fourth level Fifth level Energy consumed to various fracture processes Crushing front (consumed energy) Laterally consumed energy Macro-scale Shock front effect (spalling)$

22 Damage & Fracture mechanisms Meso-scale Click to edit Master title style Crack propagation temporarily immobilized by carbides Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level Energy consumed to various fracture processes Crushing front (consumed energy) Laterally consumed energy Macro-scale Shock front effect (spalling) 22

$Second and level fracture toughens Composite Third structure level hinders stress localization in B4C phase Fourth level Cost efficient processing Fifth level with reactive hot pressing (high$

23 Kaksifaasikeraamit ja reaktiivinen kuumapuristus Click to edit Master title style B 2 O 3 + Al + C => B 4 C + Al 2 O 3 Click Dual to phase edit structure Master text simultaneous styles high hardness Second and level fracture toughens Composite Third structure level hinders stress localization in B4C phase Fourth level Cost efficient processing Fifth level with reactive hot pressing (high temperatures needed in conventional sintering) B4C Density = 2.52 g/cm 3 Melting = 2763 C Hardness =3050 HV Al2O3 Density = 3.987g/cm 3 Melting = 2072 C Hardness =1730HV Narrow processing window due to high melting points cracking & porosity Lamellar structure perpendicular pressing direction observed in the first experiments Decrease of porosity lead diminishing lamellar phase structure High hardness HV1 23

24 Kaksifaasikeraamit ja reaktiivinen kuumapuristus Click to edit Master title style B 2 O 3 + Al + C => B 4 C + Al 2 O 3 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 24

25 Yhteenveto Click to edit Master title style Idea kaksifaasikeraamin toiminnasta osoitettu mallinuksella toimivaksi Kehitetty mallinnustyökaluja faasi suhteiden sekä dimensioiden vaikutusten analysoimiseksi Click to edit Master text styles Valmiudet oikean kaksifaasisen keraamin mallintamiseen Second level Valmistettu reaktiivisella kuumapuristuksella kaksifaasista B4C-Al2O3 keraamia Third level Lamellaarinen rakenne menetetään kun huokoisuus vähenee Fourth level Fifth level Lamellaarisuus tuotettava valmistusmenetelmän kautta 2018 siirrytään kerrostettuihin rakenteisiin 25

26 TECHNOLOGY FOR BUSINESS

Samankaltaiset tiedostot

Seuraavan sukupolven Ballistiset Keraamit BalKer

Seuraavan sukupolven Ballistiset Keraamit BalKer MATINE tutkimusseminaari 22.11.2018 Tomi Lindroos, Matti Lindroos, Anssi Laukkanen VTT 2018 1 Projektin perustiedot Seuraavan sukupolven Ballistiset Keraamit