Série Bulletproof en céramique - Comparaison des principaux matériaux céramiques pour le pare-balles
Les principaux matériaux céramiques pouvant être utilisés comme matériaux pare-balles sont oxyde d'aluminium,carbure de silicium, carbure de bore,nitrure de siliciumet du borure de titane. Parmi eux, les céramiques d'oxyde d'aluminium (Al2O3), les céramiques de carbure de silicium (SiC) et les céramiques de carbure de bore (B4C) sont les plus largement utilisées. Les céramiques pare-balles à l'oxyde d'aluminium ont une faible dureté (HRA90) et une densité élevée par rapport aux deux autres, mais sont moins chères. Les céramiques pare-balles en carbure de silicium ont la dureté la plus élevée et les meilleures performances parmi les trois, mais sont également beaucoup plus chères que les deux autres matériaux. La dureté des céramiques pare-balles en carbure de silicium peut atteindre HRA92, et la densité n'est que de 82 % de celle des plaques pare-balles en oxyde d'aluminium, avec un prix modéré et une utilisation plus largement appliquée.
1. Céramique d'oxyde d'aluminium
Les céramiques d'oxyde d'aluminium sont une série de matériaux céramiques à base d'oxyde d'aluminium à haute température (α-Al2O3) comme phase cristalline principale, et α-Al2O3 est la seule variante d'Al2O3 qui existe naturellement dans le monde. Il possède la structure la plus compacte, la réactivité la plus faible et les meilleures propriétés électrochimiques parmi toutes les variantes et peut rester stable à toutes les températures.
Propriétés de la céramique d'oxyde d'aluminium
| Propriété Al2O3 | Frittage |
| Densité (g/cm3) | 3,6-3,95 |
| Résistance à la flexion (Mpa) | 200-400 |
| Module de Young (Gpa) | 300-450 |
| Ténacité à la rupture (Mpa.m1/2) | 3,0-4,5 |
| Dureté (Gpa) | 12-18 |
Avantages : En tant que matériau céramique de première génération dans le domaine pare-balles, l'oxyde d'aluminium est non seulement le plus résistant et le plus dur parmi tous les oxydes, mais il présente également une bonne résistance à l'oxydation, une inertie chimique, un faible coût et est facile à obtenir. De plus, les produits frittés sont largement utilisés dans divers véhicules blindés et vêtements pare-balles militaires et policiers en raison de leur surface lisse, de leur taille stable et de leur faible prix.
Inconvénients : Faible résistance à la flexion et à la rupture, et faible résistance aux chocs thermiques. De plus, les performances de l'oxyde d'aluminium varient considérablement, principalement en fonction des paramètres du processus, de la teneur en impuretés, de la taille des particules et de la température de frittage. Dans le même temps, la haute densité de l’oxyde d’aluminium ne peut pas répondre à la tendance des blindages légers.
2. Céramique de carbure de silicium
Le SiC possède une structure cristalline unique. En utilisant l’un des quatre atomes de carbone comme centre et des atomes de silicium comme atomes appariés, l’un des quatre électrons les plus externes est sélectionné pour s’associer à l’électron le plus externe de l’atome de carbone central. Par fonctionnement cyclique, la structure finale est équivalente à la structure tétraèdre du diamant composée de liaisons Si-C, qui présente une dureté extrêmement élevée. Dans le même temps, cette structure présente de fortes liaisons covalentes et une énergie de liaison Si-C élevée, ce qui confère aux matériaux en carbure de silicium les caractéristiques d'un module élevé, d'une dureté élevée et d'une résistance spécifique élevée.
Propriétés de la céramique de carbure de silicium sous différents procédés de frittage
| Propriété SIC | Frittage à chaud | Pressage isostatique à chaud | Frittage par réaction | Frittage plasma par étincelle |
| Densité (g/cm3) | 3.25-3.28 | 3.01-3.13 | 3.02 | 3.12-3.20 |
| Résistance à la flexion (Mpa) | 500-730 | 366-950 | 260 | 420-850 |
| Module de Young (Gpa) | 440-450 | - | 359 | 420-460 |
| Ténacité à la rupture (Mpa.m1/2) | 5.0-5.5 | 4.51-5.79 | 16h00 | 3.4-7.0 |
| Dureté (Gpa) | 20 | 10,5-20,0 | 17.23 | 19,8-32,7 |
Avantages : Il s'agit du matériau céramique sans oxyde le plus largement utilisé avec une dureté élevée, juste derrière le diamant, le nitrure cubique de bore et le carbure de bore. En raison de sa faible densité et de sa dureté élevée, cette céramique convient très bien pourprotection balistique, et se situe dans la zone intermédiaire entre l'oxyde d'aluminium et le carbure de bore en termes de propriétés mécaniques, de propriétés de densité, de propriétés balistiques et de coûts d'application.
Inconvénients : La structure moléculaire et les caractéristiques du carbure de silicium déterminent sa moindre ténacité. Lorsqu'elle est touchée par une balle, sa résistance ultra-élevée peut résister complètement à l'énorme énergie cinétique de la balle et briser instantanément la balle, mais elle se fissurera également ou même se brisera en morceaux au moment de l'impact, ce qui rend la plaque en céramique de carbure de silicium convient uniquement à certaines zones de protection contre les balles. Cependant, de nombreux chercheurs dans le domaine de la science moléculaire des matériaux affirment actuellement que la faible ténacité du carbure de silicium peut être théoriquement compensée et surmontée en contrôlant le processus de frittage et la préparation des fibres céramiques. Cela élargira considérablement la gamme d'applications du carbure de silicium dans le domaine du pare-balles, ce qui en fera un matériau idéal pour la fabrication d'équipements pare-balles.
3. Carbure de bore céramique
Le cristal de carbure de bore appartient au type de structure rhomboédrique. Dans sa structure rhomboédrique, chaque cellule unitaire contient 15 atomes, dont 12 atomes (B11C) forment un icosaèdre, formant une structure spatiale, tandis que les trois atomes restants se combinent pour former une chaîne CBC. L'icosaèdre est connecté à la chaîne CBC par des liaisons covalentes pour former une structure relativement stable. Dans le même temps, ses éléments constitutifs, le carbone et le bore, ont des propriétés et des rayons atomiques très similaires, ce qui confère au B4C d'excellentes propriétés que d'autres céramiques non oxydées n'ont pas.
Propriétés du carbure de bore sous différents procédés de frittage
| Propriété B4C | Frittage à chaud | Pressage isostatique à chaud | Frittage par réaction | Frittage plasma par étincelle |
| Densité (g/cm3) | 2,45-2,52 | 2.42-2.51 | 2,48-2,54 | 2,43-2,60 |
| Résistance à la flexion (Mpa) | 200-500 | 365-627 | 235-321 | 607-627 |
| Module de Young (Gpa) | 440-460 | 393-444 | 330-426 | 403-590 |
| Ténacité à la rupture (Mpa.m1/2) | 2.0-4.7 | 2.4-3.3 | 4.1-4.4 | 2,8-5,8 |
| Dureté (Gpa) | 29-35 | 25-31 | 13,4-18,0 | 30,5-38,3 |
avantages : Dureté à haute température quasi constante et bonnes propriétés mécaniques. Dans le même temps, sa densité est la plus faible parmi plusieurs céramiques de blindage couramment utilisées, et son module d’élasticité élevé en fait un bon choix pour les blindages militaires et les matériaux spatiaux.
Inconvénients : En raison de la nature hautement covalente des liaisons covalentes entre les atomes de bore et de carbone, son frittage est médiocre. Il est donc nécessaire d'utiliser des températures de frittage élevées, très proches du point de fusion du matériau. Ces températures élevées conduisent à des pores résiduels et à un espacement ultérieur des grains, qui détériorent les propriétés et les performances du matériau. Par conséquent, le pressage à chaud ou le pressage isostatique à chaud est généralement utilisé, ce qui entraîne des coûts de fabrication plus élevés.
