Keraamien rooli ballistisissa henkilösuojaimissa: Valmistus, murtomekaniikka, vaatimukset ja laaduntarkastus

Abstract

Ballistiset henkilösuojaimet eli panssarit ovat useasta eri materiaalista koostuvia monikerrosrakenteita, joiden tarkoituksena on estää panssaria kantavan henkilön vahingoittuminen. Voimakkaimpia käsiaseissa käytettäviä ammuksia vastaan käytetään henkilösuojaimissa keraameja, jotka kykenevät estämään ammusten penetroitumisen suojaimen lävitse korkeiden mekaanisten materiaaliominaisuuksiensa ansiosta. Tässä diplomityössä tutkitaan laajasti panssarikeraameja. Työn tarkoituksena oli kartoittaa keraamien rooli ballistisissa henkilösuojaimissa sekä millaisia vaihtoehtoja on saatavilla keraamien laaduntarkastukseen.

Ensimmäistä aihetta tutkittiin kirjallisuuskatsauksen avulla, jälkimmäistä myös kokeellisen tutkimuksen avulla. Kirjallisuuskatsauksessa perehdytään panssarikeraamien valmistukseen soveltuviin mene-telmiin ja kunkin menetelmän tarjoamiin etuihin, keraamien käyttäytymiseen ballistisissa vuorovaikutustilanteissa ammusten kanssa, ja keraameilta vaadittuihin mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten kovuuteen ja taivutuslujuuteen. Laaduntarkastuksen kartoittamista pohjustetaan kirjallisella osuudella harkituista menetelmistä, jota seuraa kuvaus suoritetuista mittauksista. Mittauksia varten valmistettiin 15 Al2O3-näytteitä lietevalamalla ja sintraamalla. Näytteiden tiheydet ja avoimet huokoisuudet määritettiin Arkhimedeen periaatteen mukaisesti, jonka jälkeen näytteet tutkittiin infrapunatermografisella lämpökameralla pinta- ja sisäisten virheiden tunnistamiseksi. Mittausten tarkoituksena oli kartoittaa lämpökameran kyky löytää vikoja keraameista.

Kirjallisuuskatsauksen perusteella keraamien valmistusmenetelmiksi soveltuvat eritoten kuumapuristus, sekä sen eri versiot kuten nopea kuumapuristussintraus, ja reaktiosintraus, jotka molemmat kykenevät tuottamaan tarpeeksi tiheitä keraameja ilman, että niiden rakenteissa on liikaa lisäaineista muodostuvia, heikompia sekundäärifaaseja. Ballistisissa iskuissa keraamit murtuvat säröilyn kautta ja niiden pääsääntöinen rooli iskuissa on kuluttaa ammusta abrasiivisesti ja siirtää ammuksesta suojaimeen välittyvä energia eteenpäin suojaimen takakerrokseen Hertzin kartion kautta. Säröilyn aiheuttaa keraamin rakenteessa iskusta syntyvät puristavat aallot, jotka heijastuvat materiaalien rajapinnoissa vetoaalloiksi. Hyvältä panssarikeraamilta vaaditaan paljon. Lujuuksien ja kimmomoduulin on suotavaa olla mahdollisimman suuria. Kovuuden ja murtositkeyden suhde on käänteinen, jolloin toista on priorisoitava siten, että kovuuden on vähintään ylitettävä ammuksen kovuus. Keraamin on oltava mahdollisimman vapaa rakenteellisista virheistä ja sen on oltava muodoltaan kaksoiskaareva sekä mahdollisim-man kevyt käyttömukavuuden kasvattamiseksi.

Kirjallisuudesta löytyneen tiedon pohjalta osattiin odottaa, että lämpökamera ei kykene tunnistamaan syvällä keraamin rakenteessa olevia virheitä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella keraameissa voi ilmetä useita eri virhemuotoja, kuten huokosia, säröjä, ja että ne alkavat vaikuttamaan negatiivisesti keraamin ballistiseen suorituskykyyn niiden koon kasvaessa yli 0,1 mm. Tiheysmittausten perusteella valmistettujen näytteiden, joiden sintrauksen maksimilämpötilaa vaihdeltiin huokoisuuden varioimiseksi, huokoisuus oli alimmillaan alle 0,20 % ja ylimmillään lähes 12 %. Näytteistä otettujen lämpökamerakuvien perusteella voitiin näytteistä tunnistaa sekä pintavirheitä että pinnan alaisia rakennepiirteitä, joiden oletettiin olevan säröjä ja huokosia, mutta joiden tarkkaa olemusta ei tarkistettu muilla karakterisointimenetelmillä. Tulosten perusteella infrapunatermografia kykenee havaitsemaan rakenteellisia poikkeamia Al2O3-näytteiden pinnoista ja heti pinnan alla olevista kerroksista, mutta se ei kykene tutkimaan keraamien rakenteiden keskiosia.