Ontwikkelingen op het gebied van materialen voor de bescherming van militairen en voertuigen
De wisselwerking tussen bescherming en massa-volumekosten is altijd constant voor alle soorten bepantsering, of het nu gaat om kogelvrije vesten of voertuigbepantsering, en er is geen enkele oplossing of materiaal dat een wondermiddel kan worden genoemd. Er wordt momenteel een verscheidenheid aan materialen gebruikt en hun combinaties
Pantser is miljoenen jaren ouder dan de mensheid en is voornamelijk ontwikkeld om te beschermen tegen kaken en klauwen. Het is heel goed mogelijk dat krokodillen en schildpadden een persoon gedeeltelijk kunnen inspireren om elementen van bescherming te creëren. Allemaal wapen kinetische energie, of het nu een prehistorische knuppel is of een pantserdoorborend projectiel, is ontworpen om veel kracht in een klein gebied te concentreren, het is zijn taak om door het doelwit te breken en maximale schade aan te richten. Daarom is het de taak van het pantser om dit te voorkomen door het aanvallende middel af te buigen of te vernietigen en/of de impactenergie over een zo groot mogelijk gebied te verspreiden om eventuele schade aan de mankracht, transportsystemen en structuren die het beschermt tot een minimum te beperken.
Moderne bepantsering bestaat doorgaans uit een harde buitenlaag om het projectiel te stoppen, af te buigen of te breken, een tussenlaag met een zeer hoog "breekwerk" en een stroperige binnenlaag om barsten en fragmentatie te voorkomen.
Staal
Er is nog steeds veel vraag naar staal, dat het eerste materiaal werd dat veel werd gebruikt bij het maken van gepantserde voertuigen, ondanks het verschijnen van bepantsering op basis van lichte aluminium- en titaniumlegeringen, keramiek, polymeermatrixcomposieten versterkt met glasvezels, aramide en ultrahoogmoleculair gewicht polyethyleen, evenals composiet metalen matrixmaterialen.
Veel staalfabrieken, waaronder SSAB, blijven hogesterktestaalsoorten ontwikkelen voor een verscheidenheid aan toepassingen waarbij massa van cruciaal belang is, zoals extra beschermende platen. Armour grade ARM OX 600T, verkrijgbaar in diktes van 4-20 mm, is verkrijgbaar met een gegarandeerde hardheid van 570 tot 640 HBW (afkorting staat voor Hardness, Brinell, Wolfram; een test waarbij een wolfraamkogel met standaarddiameter in een monster wordt geperst van materiaal met een bekende kracht, dan wordt de diameter van de resulterende depressie gemeten; vervolgens worden deze parameters vervangen in de formule, waarmee u het aantal eenheden van hardheid kunt krijgen).
SSAB benadrukt ook het belang van het bereiken van de juiste balans tussen hardheid en taaiheid om bescherming te bieden tegen penetratie en ondermijning. Zoals alle staalsoorten bestaat ARMOX 600T uit ijzer, koolstof en een aantal andere legeringscomponenten, waaronder silicium, mangaan, fosfor, zwavel, chroom, nikkel, molybdeen en boor.
Er zijn beperkingen aan de gebruikte fabricagetechnieken, vooral als het om temperatuur gaat. Dit staal is niet bedoeld voor verdere warmtebehandeling en bij verhitting boven 170°C na levering kan SSAB de eigenschappen niet garanderen. Bedrijven die dit soort beperkingen kunnen omzeilen, zullen waarschijnlijk de aandacht trekken van fabrikanten van gepantserde voertuigen.
Een ander Zweeds bedrijf, Deform, levert heet gesmede onderdelen van kogelwerend pantserstaal aan fabrikanten van gepantserde voertuigen, met name degenen die betrokken zijn bij het upgraden van commerciële/civiele voertuigen.
De brandgangen uit één stuk van Deform zijn geïnstalleerd in de Nissan PATROL 4x4, de Volkswagen T6 TRANSPORTER-bestelwagen en de Isuzu D-MAX pick-uptruck, samen met een vloerplaat uit één stuk van hetzelfde materiaal. Het door Deform ontwikkelde warmvormproces dat bij de plaatproductie wordt gebruikt, handhaaft een hardheid van 600HB [HBW].
Het bedrijf zegt dat het de eigenschappen van alle bepantseringsstaalsoorten op de markt kan herstellen en tegelijkertijd zijn structurele vorm kan behouden, waarbij de resulterende onderdelen veel beter zijn dan traditionele gelaste en gedeeltelijk overlappende ontwerpen. Bij de door Deform ontwikkelde methode wordt het warmpersen gevolgd door het afschrikken en ontlaten van de platen. Dankzij dit proces is het mogelijk om driedimensionale vormen te verkrijgen die niet kunnen worden verkregen door koud stampen zonder de in dergelijke gevallen verplichte "lassen die de integriteit op kritieke punten schenden".
De warm gesmede staalplaten van Deform worden gebruikt op BAE Systems BVS-10- en CV90-machines en sinds het begin van de jaren 90 op veel machines van Kraus-Maffei Wegmann (KMW). Er komen orders binnen voor de productie van driedimensionale pantserplaten voor tank LEOPARD 2 en verschillende vormplaten voor BOXER- en PUMA-machines plus voor verschillende Rheinmetall-machines, waaronder weer BOXER, evenals een luik voor een WIESEL-auto. Deform werkt ook met andere beschermende materialen zoals aluminium, Kevlar/aramide en titanium.
Deform leverde in 2016 brandgangen uit één stuk voor Toyota LC200-voertuigen aan de Australische klant Craig International Ballistics
aluminium vooruitgang
Wat gepantserde voertuigen betreft, werd voor het eerst aluminium bepantsering op grote schaal gebruikt bij de vervaardiging van de M113 gepantserde personendrager, die sinds 1960 wordt geproduceerd. Het was een legering genaamd 5083 met 4,5% magnesium en veel kleinere hoeveelheden mangaan, ijzer, koper, koolstof, zink, chroom, titanium en andere. Hoewel legering 5083 zijn sterkte goed behoudt na het lassen, is het geen warmtebehandelbare legering. Het is niet zo goed bestand tegen pantserdoorborende kogels van 7,62 mm, maar zoals officiële tests hebben bevestigd, houdt het Sovjet-stijl 14,5 mm pantserdoorborende kogels beter tegen dan staal, terwijl het gewicht bespaart en de gewenste sterkte toevoegt. Voor een bepaald beschermingsniveau is aluminiumplaat dikker en 9 keer sterker dan staal bij een lagere dichtheid van 265 r/cm3, wat resulteert in een lager gewicht van de structuur.
Fabrikanten van gepantserde voertuigen vroegen al snel om lichtere, ballistisch sterkere, lasbare en warmtebehandelbare aluminium bepantsering, wat ertoe leidde dat Alcan eerst de legering 7039 en vervolgens 7017 ontwikkelde, beide met een hoog zinkgehalte.
Net als bij staal kunnen stansen en aansluitend monteren de beschermende eigenschappen van aluminium nadelig beïnvloeden. Tijdens het lassen worden de bijna-laszones zachter, maar hun sterkte wordt gedeeltelijk hersteld door verharding tijdens natuurlijke veroudering. De structuur van het metaal verandert in nauwe zones nabij de las, waardoor grote restspanningen ontstaan bij een las- en/of montagefout. Daarom moet de fabricagetechnologie deze minimaliseren, terwijl ook het risico op spanningscorrosie moet worden geminimaliseerd, vooral wanneer de ontwerplevensduur van de machine naar verwachting meer dan drie decennia zal bedragen.
Spanningscorrosie is een scheurinitiatie- en groeiproces in een corrosieve omgeving dat erger wordt naarmate het aantal legeringselementen toeneemt. De vorming van scheuren en hun daaropvolgende groei vindt plaats als gevolg van waterstofdiffusie langs de korrelgrenzen.
De bepaling van de gevoeligheid voor scheuren begint met de extractie van een kleine hoeveelheid elektrolyt uit de scheuren en de analyse ervan. Spanningscorrosietests bij lage reksnelheden worden gebruikt om te bepalen hoe erg een bepaalde legering is aangetast. Twee monsters worden mechanisch uitgerekt (één in een corrosieve omgeving en de tweede in droge lucht) totdat ze falen, en vervolgens wordt de plastische vervorming op het punt van falen vergeleken - hoe meer het monster wordt uitgerekt voordat het bezwijkt, hoe beter.
De weerstand tegen spanningscorrosie kan tijdens de verwerking worden verbeterd. Volgens Total Materia, dat zichzelf 'de grootste database met materialen ter wereld' noemt, verbeterde Alcan bijvoorbeeld de prestaties van de 40-legering 7017 keer in versnelde spanningscorrosietests. De verkregen resultaten maken het ook mogelijk om methoden te ontwikkelen voor corrosiebescherming van zones van gelaste constructies, waar het moeilijk is om restspanningen te vermijden. Onderzoek gericht op het verbeteren van legeringen om de elektrochemische eigenschappen van lasverbindingen te optimaliseren is aan de gang. Het werk aan nieuwe warmtebehandelbare legeringen is gericht op het verbeteren van hun sterkte en corrosieweerstand, terwijl het werk aan niet-warmtebehandelbare legeringen gericht is op het wegnemen van de beperkingen die worden opgelegd door lasbaarheidseisen. De sterkste materialen in ontwikkeling zullen 50% sterker zijn dan de beste aluminium bepantsering die momenteel in gebruik is.
Legeringen met een lage dichtheid, zoals aluminium-lithiumlegeringen, bieden een gewichtsvermindering van ongeveer 10% in vergelijking met eerdere legeringen met vergelijkbare kogelweerstand, hoewel hun ballistische prestaties nog niet volledig moeten worden geëvalueerd volgens de Total Materia-gids.
Lasmethoden, inclusief robotachtige, verbeteren ook. Tot de taken die moeten worden opgelost behoren minimalisering van de warmte-inbreng, een stabielere lasboog dankzij verbeterde stroom- en draadtoevoersystemen, evenals bewaking en controle van het proces door deskundige systemen.
MTL Advanced Materials werkte samen met ALCOA Defense, een gerenommeerde fabrikant van aluminium pantserplaten, om te ontwikkelen wat het bedrijf omschrijft als een "betrouwbaar en herhaalbaar koudvormproces". Het bedrijf merkt op dat aluminiumlegeringen die zijn ontwikkeld voor pantsertoepassingen niet zijn ontworpen voor koudvormen, wat betekent dat het nieuwe proces veelvoorkomende faalwijzen, waaronder scheuren, moet helpen voorkomen. Volgens het bedrijf is het uiteindelijke doel om machineontwerpers in staat te stellen de behoefte aan lassen te minimaliseren en het aantal onderdelen te verminderen. Het verminderen van de hoeveelheid laswerk, benadrukt het bedrijf, verhoogt de structurele sterkte en bescherming van de bemanning terwijl de productiekosten worden verlaagd. Beginnend met de beproefde legering 5083-H131, ontwikkelde het bedrijf een proces voor het koudvormen van onderdelen met bochten van 90 graden langs en over de korrels, en ging vervolgens verder met complexere materialen zoals legeringen 7017, 7020 en 7085, waarbij ook goede resultaten werden behaald .
De CAMAC-pantsersystemen van Morgan Advanced Materials zijn gemaakt van een combinatie van geavanceerde keramiek en structurele composieten.
Keramiek en composieten
Een paar jaar geleden kondigde Morgan Advanced Materials de ontwikkeling aan van verschillende CAMAS-pantsersystemen, die bestonden uit een combinatie van geavanceerde keramiek en structurele composietmaterialen. De productlijn omvat scharnierende bepantsering, anti-fragmentatievoeringen, overlevingscapsules gemaakt van structurele composieten om metalen rompen te vervangen en wapenmodules te beschermen, zowel bewoonbaar als onbewoond. Ze kunnen allemaal worden aangepast aan specifieke eisen of op bestelling worden gemaakt.
Biedt NATO STANAG 2 Levels 6-4569-bescherming, samen met multi-hit-prestaties en gewichtsvermindering (het bedrijf zegt dat deze systemen de helft minder wegen dan vergelijkbare staalproducten), evenals aanpassing aan specifieke bedreigingen, platforms en taken. Anti-splinterbekledingen kunnen worden gemaakt van vlakke panelen met een gewicht van 12,3 kg om een oppervlakte van 0,36 m2 (ongeveer 34 kg/m2) te bedekken of solide fittingen van 12,8 kg voor 0,55 m2 (ongeveer 23,2 kg/m2).
Ontworpen voor nieuwe en geüpgradede platforms, biedt het extra pantser dezelfde mogelijkheden bij de helft van het gewicht, volgens Morgan Advanced Materials. Het gepatenteerde systeem biedt maximale bescherming tegen een breed scala aan bedreigingen, waaronder wapens van klein en middelgroot kaliber, geïmproviseerde explosieven (IED's) en raketgranaten, evenals prestaties met meerdere treffers.
Een "semi-structureel" pantsersysteem met goede corrosieweerstand wordt aangeboden voor wapenmodules (naast toepassingen in de lucht en op zee), en samen met het besparen van gewicht en het minimaliseren van problemen met het zwaartepunt, creëert het minder EMC-problemen dan staal.
Het beschermen van wapenmodules is een bijzonder probleem, aangezien ze een aantrekkelijk doelwit zijn, aangezien hun onbekwaamheid het situationeel bewustzijn van de bemanning en het vermogen van het voertuig om met directe bedreigingen om te gaan, drastisch aantast. Ook installeren ze "delicate" opto-elektronica en kwetsbare elektromotoren. Omdat ze meestal aan de bovenkant van het voertuig worden gemonteerd, moet het pantser licht zijn om het zwaartepunt zo laag mogelijk te houden.
Het beschermingssysteem van de wapenmodule, dat gepantserd glas en bescherming van het bovenste deel kan bevatten, is volledig inklapbaar, twee mensen kunnen het in 90 seconden weer in elkaar zetten. Composiet overlevingscapsules zijn gemaakt van wat het bedrijf omschrijft als "unieke duurzame materialen en polymeerverbindingen", ze bieden bescherming tegen splinters en kunnen in het veld worden gerepareerd.
Bescherming van soldaten
Het 3M Ceradyne SPS (Soldier Protection System) soldatenbeschermingssysteem omvat helmen en inzetstukken in kogelvrije vesten voor de IHPS (Integrated Head Protection System) en VTP (Vital Torso Protection) rompbescherming - ESAPI (Enhanced Small Arms Protective Insert) componenten - verbeterd inzetstuk ter bescherming tegen handvuurwapens) van het SPS-systeem.
IHPS-vereisten omvatten een lager gewicht, passieve gehoorbescherming en verbeterde bescherming tegen botte schokken. Het systeem bevat ook accessoires zoals een soldatenkaakcomponent, een beschermend vizier, een houder voor een nachtkijker, geleiders voor bijvoorbeeld een zaklamp en een camera, en extra modulaire kogelwerende bescherming. Het contract, ter waarde van meer dan $ 7 miljoen, voorziet in de levering van ongeveer 5300 helmen. Ondertussen zullen meer dan 36 ESAPI-kits, lichtere kogelvrije vesten, worden geleverd onder een contract van $ 30000 miljoen. De productie van beide kits begon in 2017.
Eveneens in het kader van het SPS-programma selecteerde KDH Defense Honeywell SPECTRA SHIELD- en GOLD SHIELD-materialen voor vijf subsystemen, waaronder het TEP-subsysteem (Torso and Extremity Protection) voor torso- en ledematenbescherming voor levering aan het SPS-project. Het TEP-beschermingssysteem is 26% lichter, wat uiteindelijk het gewicht van het SPS-systeem met 10% vermindert. KDH zal SPECTRA SHIELD-materiaal op basis van UHMWPE-vezel en GOLD SHIELD-materiaal op basis van aramidevezels gebruiken in zijn eigen producten voor dit systeem.
SPECTRA-vezel
Honeywell gebruikt een gepatenteerd spin- en spinproces van polymeervezels om UHMWPE-grondstof in SPECTRA-vezels in te bedden. Dit materiaal is 10 keer sterker dan staal in gewicht, heeft een specifieke sterkte die 40% groter is dan die van aramidevezel, heeft een hoger smeltpunt dan standaard polyethyleen (150°C) en is slijtvaster dan andere polymeren zoals polyester.
Het sterke en stijve SPECTRA-materiaal vertoont een hoge rek bij breuk, dat wil zeggen dat het zeer sterk uitrekt voordat het breekt; met deze eigenschap kunt u een grote hoeveelheid impactenergie absorberen. Honeywell zegt dat SPECTRA-vezelcomposieten zeer goed presteren bij inslagen met hoge snelheid, zoals geweerkogels en schokgolven. Volgens het bedrijf: "Onze geavanceerde vezel reageert op impact door snel kinetische energie uit de impactzone te verwijderen ... het dempt ook trillingen goed, heeft een goede veerkracht en uitstekende interne wrijvingseigenschappen van de vezel, samen met een uitstekende weerstand tegen chemicaliën, water en ultraviolet licht .
In zijn SHIELD-technologie legt Honeywell parallelle vezelstrengen neer en bindt ze samen door ze te impregneren met geavanceerde hars om een eenrichtingslint te vormen. Vervolgens worden de lagen van deze tape kruislings onder de gewenste hoeken geplaatst en bij een bepaalde temperatuur en druk tot een samengestelde structuur gesoldeerd. Voor zachte lichaamsbeschermingstoepassingen is het gelamineerd tussen twee lagen dunne en flexibele transparante film. Omdat de vezels recht en evenwijdig blijven, voeren ze de impactenergie efficiënter af dan wanneer ze in een geweven stof zouden zijn geweven.
Short Bark Industries gebruikt SPECTRA SHIELD ook in de BCS (Ballistic Combat Shirt) bodembescherming voor het SPS TER-systeem. Short Bark is gespecialiseerd in zachte bescherming, tactische kleding en accessoires.
Volgens Honeywell hebben soldaten beschermingen gekozen die van deze materialen zijn gemaakt nadat ze superieure prestaties hebben laten zien in vergelijking met hun tegenhangers die zijn gemaakt van aramidevezels.
Gebaseerd op materiaal van sites:
www.nationaldefensemagazine.org
www.ssab.com
www.rheinmetall.com
www.deform.com
www.riotinto.com
www.totalmateria.com
www.mtladv.com
www.alcoa.com
www.morganadvancedmaterials.com
www.3m.com
www.wikipedia.org
www.honeywell.com
informatie