كربيد البورون للدروع خفيفة الوزن

كربيد البورون للدروع خفيفة الوزن

ملخص تنفيذي

يُعدّ كربيد البورون (B₄C) مادة خزفية فائقة الجودة تُستخدم في تطبيقات الدروع الخفيفة الأكثر تطلبًا. فمزيجه الاستثنائي من  الصلابة الفائقة  والكثافة  المنخفضة جدًا  يجعله الخيار الأمثل عندما يكون مطلوبًا أعلى مستوى ممكن من الحماية بأقل وزن ممكن. ومع ذلك، غالبًا ما يكون استخدامه محدودًا بسبب ارتفاع تكلفته وهشاشته المتأصلة.

1. ما هو كربيد البورون؟

كربيد البورون مادة اصطناعية تتكون من ذرات البورون والكربون. وهو من أصلب المواد المعروفة، ويحتل المرتبة الثالثة بعد الماس ونيتريد البورون المكعب.

الخصائص الرئيسية للدروع:

• صلابة فائقة:  حوالي 9.5 على مقياس موس. وهذا يسمح لها بصد وتفتيت المقذوفات الصلبة.

• كثافة منخفضة للغاية:  حوالي 2.52 جم/سم³. وهذا يعادل ثلث كثافة الفولاذ تقريبًا، مما يجعله خفيفًا بشكل استثنائي.

• صلابة عالية (معامل المرونة):  مقاومة عالية للتشوه تحت الحمل.

• قوة ضغط عالية:  يمكنها تحمل قوى سحق هائلة.

2. لماذا يُعدّ مثاليًا للدروع الخفيفة؟ المبدأ الأساسي

تتمثل الميزة الأساسية في  نسبة الصلابة إلى الكثافة التي لا تضاهى . ومن الناحية التدريعية، يُترجم هذا إلى  أفضل حماية ممكنة لوزن معين.

من الناحية العملية، ستكون صفيحة الدروع المصنوعة من كربيد البورون أخف وزنًا بشكل ملحوظ من صفيحة الفولاذ أو الألومينا (Al₂O₃) التي توفر نفس مستوى الحماية. وهذا أمر بالغ الأهمية لـ:

• التنقل الشخصي:  يمكن للجنود ورجال إنفاذ القانون حمل وسائل الحماية الأساسية دون أن يكونوا مثقلين بالأعباء.

• تطبيقات الفضاء الجوي والمركبات:  إن تقليل الوزن على الطائرات (مثل مقاعد طائرات الهليكوبتر) والمركبات يوفر الوقود ويزيد من الأداء.

3. كيف يعمل في نظام الدروع

نادراً ما يُستخدم كربيد البورون بمفرده. فهو يعمل  كواجهة أمامية للهجوم  في نظام دروع مركبة.

الآلية:

1. الاصطدام والتلف:  عندما يصطدم مقذوف عالي السرعة (خاصةً ذو قلب من الفولاذ الصلب أو التنجستن) بلوحة كربيد البورون، فإن صلابتها الشديدة تُتلف طرف المقذوف وتُسبب تآكله. وهذا يُقلل فوراً من قدرة المقذوف على الاختراق.

2. التصدع وامتصاص الطاقة:  يُحدث الاصطدام موجة صدمية تتسبب في تصدع كربيد البورون في منطقة مخروطية الشكل أسفل نقطة الاصطدام. وتستهلك عملية التصدع هذه كمية هائلة من الطاقة الحركية للمقذوف.

3. توزيع الحمل:  تعمل الصفيحة الخزفية الصلبة والمتينة على توزيع قوة الصدمة الموضعية للغاية على مساحة أكبر على الطبقة الداعمة.

4. التقاط الطبقة الداعمة: تتميز  المادة الداعمة (عادةً ما تكون طبقات من  الأراميد  أو  البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي – UHMWPE ) بالمتانة والمرونة. وتتمثل وظيفتها في:

   • التقط المقذوف المحطم وشظايا السيراميك.

   • امتصاص الطاقة الحركية المتبقية من خلال التشوه اللدن وتمدد الألياف.

   • توفير السلامة الهيكلية لمنع التشوه الخطير للوجه الخلفي (الصدمة الحادة).

هذا  التآزر “الواجهة الصلبة / الظهر المرن”  هو حجر الزاوية في الدروع المركبة الحديثة خفيفة الوزن.

4. المزايا مقابل العيوب

5. مقارنة مع أنواع السيراميك الأخرى المستخدمة في صناعة الدروع

دليل الاختيار:

• كربيد البورون:  اختر عندما يكون الوزن هو العامل الحاسم المطلق وتكون الميزانية ثانوية (على سبيل المثال، ألواح الجنود المتقدمة، والفضاء الجوي).

• كربيد السيليكون:  اختره لتحقيق أفضل توازن بين الأداء، والقدرة على الاستخدام المتكرر، والتكلفة. وهو أكثر أنواع السيراميك عالي الجودة شيوعًا.

• الألومينا:  اخترها عندما تكون الميزانية هي القيد الأساسي ويمكن تحمل الوزن الإضافي.

6. التطبيقات الأساسية

• دروع واقية شخصية للجسم:

  • صفائح البنادق (ESAPI):  تستخدم في الحشوات الواقية للأسلحة الصغيرة العسكرية (صفائح SAPI/ESAPI) لإيقاف الطلقات عالية الطاقة والخارقة للدروع.

  • الخوذات ذات القطع العالي:  تستخدم في خوذات العمليات الخاصة لتوفير أقصى حماية ضد الشظايا وطلقات المسدسات بأقل وزن ممكن.

• دروع الطيران والفضاء والمركبات:

  • مقاعد المروحية:  حماية الطيارين من نيران الأرض.

  • المركبات المدرعة الخفيفة:  كدروع إضافية للأبواب والمناطق الحيوية.

  • دروع الطائرات:  للمكونات الحيوية ومناطق الطاقم.

• آخر:

  • ألواح بدلات الوقاية من القنابل.

  • دروع للمنصات عالية القيمة والحساسة للوزن مثل الطائرات بدون طيار.