Materialer for ballistisk beskyttelse

Abstract

Metaller har fra tidenes morgen vært brukt både som våpen og beskyttelse. Teknologi for bearbeiding ble tidlig utviklet, og råvarene var tilgjengelige. Metaller er de materialene, innenfor beskyttelsessammenheng, med desidert lavest kostnad. Dette skyldes selvfølgelig anvendeligheten og derav den høye etterspørselen og produksjonsmengden. Fordelen med metaller er at de i seg selv både kan være en bærende struktur, samt ugjøre beskyttelsen. Metaller er relativt enkle å bearbeide og enkle å reparere ved skade. Evnen til å fange kinetisk energi er høy. Dessuten vil metall være mer eller mindre intakt utenfor de områdene som blir direkte truffet av trusler som prosjektiler, fragmenter osv. Metaller har en stor ulempe, som tilsynelatende ødelegger for et ellers perfekt materiale i beskyttelsessammenheng; vekten. Fremtidens utsikter når det gjelder metaller er også noe usikker [1]. Jordens lagre begynner å minke, samtidig som gjenvinning ikke er nok til å demme opp for den økende etterspørselen. Ut fra dagens forbruk av metaller, kan man beregne hvor lenge lagrene vil kunne fortsette å forsyne industrien. Tallene er skremmende. Eksempelvis vil jern (Fe) være oppbrukt i løpet av 50 år! Hvilke andre materialer finnes? Fibermaterialer som benyttes til ballistisk beskyttelse er som oftest spesielle organiske fibre som er fremstilt i en industriell prosess og kalles filamentfibre. Disse er bygd opp av svært lange molekylkjeder som er dannet ved sammenkobling (polymerisering) av kortere molekyler; ”byggesteinene”. Tråd som er utgangspunktet for oppbygging både av ballistisk duk og kompositter, kan bestå av mange hundre filamentfibre. Ikke organiske fibere som for eksempel glassfibere, benyttes oftest bare i matriser. Aramid er en fellesbetegnelse for flere typer aromatiske polyamider (”aramider”). Det er i hovedsak to produsenter som har bidratt til utviklingen av disse fibrene for ballistisk beskyttelse; DuPont og Akzo Nobel (Teijin) med produktnavn hhv. Kevlar og Twaron. Aramid var den første organiske fiberen som egnet seg til ballistisk beskyttelse, hvis en ser bort fra ballistisk Nylon. Ulempene ved aramidfibrene er at de svekkes når de utsettes for UV stråling. Utviklingen av polyetylen til ballistiske formål ble startet på midten av 1980-tallen, og ble kommersialisert av Honeywell (Allied Fibers). De er satt sammen av et meget stort antall etylenenheter og har derfor meget høy molekylvekt. Denne fiberen betegnes derfor UHMWPE som står for Ultra-High Molecular Weight PE. Kommersielle navn er Dyneema, Spectra og Tensylon. PBO er en syntetisk fiber opprinnelig utviklet ved Wright Research and Development Centre fra 1960 tallet og fremover. PBO ble patentert på 1980-tallet. Patentet ble kjøpt opp av Toyobo, Japan, og fiberen ble første gang markedsført i 1998 under navnet Zylon. Fiberen vil svekkes under påvirkning av fuktighet ved høyere temperaturer, samt UV stråling. Denne egenskap har medført en heftig debatt om hvorvidt denne fiberen er egnet for beskyttelsesformål. PIPD (M5) er en fibertype som lenge har vært under utvikling, men som ennå ikke er kommersielt tilgjengelig. Utvikling av denne fiberen startet opp ved Akzo Nobel i Holland i perioden 1995-1998. Fiberen antas å kunne oppnå bedre materielle og ballistiske egenskaper enn de andre ballistiske fibrene. Det hersker noe usikkerhet rundt den faktiske produksjonen når rapporten skrives. Keramikk forbindes i første rekke med baderomsflis, middagsservise og sanitærartikler. Disse artiklene er fremdeles de som dominerer keramikkindustrien. Behovet for mer avansert keramikk er imidlertid stort i elektronisk industri. I tillegg er også keramikk som ballistisk beskyttelse blitt en økende produktkategori. Dette er resultat av en økende trussel med utstrakt bruk av såkalte panserbrytende prosjektiler. Keramikk har flere gode egenskaper som utnyttes i ballistisk beskyttelse. Det har lavere tetthet enn stål. Keramikk har videre høyere E-modul enn stål, som betyr at materialet er stivere. I tillegg er keramikk hardere, og kan overgå hardheten til prosjektilene (truslene). Ulempen med keramikk er at materialet ikke er spesielt tøyelig. Det resulterer i at keramikk sprekker opp, og dermed mister sin mekaniske styrke. Denne effekten kan derimot motvirkes ved å støtte opp keramikkplatene med ”tøyelige” materiale på baksiden – en såkalt backing. Backingen kan bestå av stål, aluminium, komposittplater eller andre myke (sett i forhold til keramikk) materialer. Det finnes flere keramikktyper som brukes i forbindelse med ballistisk beskyttelse. Alumina er det vanligste og på sett og vis det ”simpleste” av de forskjellige keramene som benyttes. Alumina har god virkeevne til lav kostnad. Silisiumkarbid har bedre yteevne enn alumina med ca 10 % vektreduksjon. Silisiumkarbid blir mer og mer viktig med tanke på beskyttelse mot prosjektiler med harde kjerner, til tross for høyere tetthet enn eksempelvis borkarbid. Borkarbid er det tredje nest hardeste materiale man kjenner til, samtidig som det er meget lett. Likevel er borkarbid et sprøtt materiale. Dette har ført til at materialet lett sprekker opp og ikke får så god ballistisk ytelse som hardheten skulle tilsi. Titandiborid har i enkelte sammenhenger vist noe lavere ballistisk ytelse på vektbasis enn silisiumkarbid og borkarbid mot panserbrytende prosjektiler, men viser seg å yte likeverdig eller bedre mot andre typer prosjektiler. Sammenligner man ytelse mot tykkelse, er titandiborid det beste materialet. Andre aktuelle keramikktyper er aluminiumnitrid, wolframkarbid, titankarbid og silisiumnitrid. I et kjøretøy er man avhengig av utsyn. I en totalløsning for pansring av kjøretøy vil det derfor være et behov for transparente flater; vinduer. Laminert glass er en lagvis oppbygning av glass og plast, og er det dominerende beskyttelsestiltaket i pansrede kjøretøy. Glasskeramer er amorfe materialer som i utgangspunktet er produsert som vanlig glass. Gjennom varmebehandling får man en krystallisering, slik at materialene får keramiske egenskaper. Glasskeramer finnes i rikt omfang på ethvert kjøkken; som topp på komfyr og koke- og bakeutstyr, eksempelvis ildfaste former. Transparente keramiske materialer har de siste 20 årene blitt utviklet for bruk i vinduer. Fordelen med å bruke keramiske materialer, i kombinasjon med eksempelvis glass eller plast, er økt beskyttelsesgrad på vektbasis. I tillegg vil en kunne redusere tykkelsen på pansrede vinduer, som kan være ønskelig for å øke volumet av kabinen. Den harde overflaten til keramikk vil i tillegg være mer motstandsdyktige mot miljøpåvirkninger som riper, kjemikalier, sollys osv. Ulempen med transparent keramikk er de foreløpige høye produksjonskostnadene. Tre typer transparent keramikk er dominerende. Safir er rent monokrystallinsk aluminiumoksid. Fordelen med monokrystallinske materialer er graden av gjennomsiktighet, som ofte er overlegen de polykrystallinske keramene. Spinel er polykrystallinsk magnesiumaluminiumoksid (MgAl2O4). I realiteten er dette alumina (Al2O3) som inneholder grupper av MgO. Spinel pulver (råvaren) er kommersielt tilgjengelig, og vil dermed kunne produseres av flere leverandører, som fører til et konkurrerende marked. ALON er en forkortelse for aluminiumoksynitrid (Al23O27N5). Dette er også en polykrystallinsk keramikk basert på alumina, men med grupper av aluminiumnitrid. Surmet har eiendomsretten til ALON pulver (råmateriale) som dermed ikke kan produseres på det åpne markedet. ALON har vist seg vanskelig å få tak i. I tillegg rapporteres det om høye kostnader av de som får tilgang til materialet. Bruk av transparent keramikk kan gi en vektreduksjon på opp mot 50 % i forhold til standard ballistisk (laminert) glass. Kompositt panser er etter hvert blitt så avansert at det erstatter metallisk panser på lettere og mer mobile stridskjøretøyer hvor kravet til lav vekt er dominerende. Kompositt panser forbindes ofte med fiberkompositter. Dette er bare halve virkeligheten. Kompositt panser kan ha en meget kompleks oppbygging, bestående av både fiberkompositter, men også keramiske kompositter. Et fellestrekk i oppbyggingen er et hardt sjikt ytterst, og med et tykt sjikt av glass eller organisk fibermateriale som oftest i en plastmatrise, innerst (kalt spall-liner). Eksempler på keramiske kompositter er kermet (keramikk i metallmatrise), keramikk i plastmatrise eller blandinger av to eller flere keramiske materialer. Keramiske tandemsystemer er multiple lag av keramikk og metall / fiberkompositt. Mellom hvert lag legges et isolasjonsmateriale. Dette skal hindre sjokkbølger i å forplante seg fra ett lag til det neste, og dermed at keramikken i de neste lagene sprekker opp før evt. prosjektilet treffer. Resultatet er en bedre ytelse enn en tilsvarende mengde materiale i kun to homogene lag. Ulempen vil være økt bruk av plass (volum). Oppdagelser av stadig nye materielle egenskaper, og nye områder for anvendelse, har ført til en knippe interessante (gjerne eksotiske) materialer som kan bli aktuelle å ta i bruk i fremtidens beskyttelser mot ballistiske trusler. Eksempler på dette er amorfe metallegeringer, auksetiske materialer, nanokeramikk, autenitisk nitrogenstål, skjærfølsomme væsker og superbainitt. Noen er allerede testet ut for formålet med svært lovende resultater. Å svare helt konkret på hvilke typer materialer man skal velge for å beskytte seg til et visst nivå, er veldig vanskelig. Dette spørsmålet avhenger både av økonomi, vekt, konfigurasjon (kjøretøy eller personell etc.) og selvfølgelig trussel. Fiberkompositter eller metaller er velegnet alene til de aller laveste truslene. Øker trusselnivået til å innebære panserbrytende prosjektiler, må man ta i bruk hardere materialer som keramikk i kombinasjon med metaller eller komposittmaterialer. Dagens teknologi er kommet så langt at, så lenge de økonomiske rammer tillater det, må det tenkes alternativt i forhold til ”gammeldagse” materialer som stål og laminert glass.

This report gives an overview over various materials, used for ballistic protection. The report starts with the well known and widely used metals. This includes rolled homogeneous armour (RHA), which often is used in comparison when new materials or new structural concepts are considered. The metals are more and more often replaced by fibre, fibre composites and ceramics. This is a direct result from the performance versus weight trade-off. In the last decades, armour piercing (AP) projectiles are more often seen in the operational theatre. To arrest these threats, without exceeding the weight tolerance, the metals have to be replaced or at least supplemented by more efficient materials. In the last two decades, new transparent materials have developed and become very interesting in the weight versus performance assessment. The transparent ceramics are still somewhat expensive, however the prices will decrease if the military marked is demanding and willing to use these materials in a larger scale. This report dedicates therefore a section for the transparent materials with focus on the transparent ceramics. For those who are curious, exotic materials are also described. The materials listed are believed to become important in future protection systems. To understand how the various materials behave during ballistic penetration, the report focuses on material parameters and how they are connected to the energy absorbing phenomena. For completeness a few material models, and their parameters for various materials, are described in order to understand the role and complexity of finite element simulations. Simulations are important to understand the threat and target interaction. Ballistic test data are represented when suitable and necessary.