Hiilinanoputkiseostettujen boorikarbidikeraaminen käyttö sotateknisissä suojarakenteissa
Raukola, Juho (2016)
Kandidaatintyö
Raukola, Juho
2016
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016102025437
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016102025437
Tiivistelmä
Tässä kirjallisuustutkimuksessa on käsitelty sotateknisten suojarakenteiden materiaalinvalintaa nanohiiliputkiseostetun boorikarbidin (B4C) kannalta sekä sen hyödyntämistä Suomen Puolustusvoimissa. Suojarakenteiden ominaisuudet pisteytettiin soveltuvin osin VDI 2221-luokituksen mukaisesti ja niistä muodostettiin vaatimusprofiilit suojarakenteille. Työssä kartoitettiin valmistusmenetelmien ja eri seosaineiden valinnan vaikutukset suojarakenteen materiaaliominaisuuksiin ja niistä muodostettiin parhaiten suojarakenteen vaatimuksiin vastaava kokonaisuus.
Suojarakenteilta vaaditaan suojaavuutta erilaisia uhkia vastaan sekä keveyttä, hyviä lujuusominaisuuksia ja pientä tilantarvetta. Tärkeimmät materiaaliominaisuudet suojarakennekeraamille ovat kimmomoduli, tiheys, kovuus, taivutuslujuus ja sitkeys. 3 % CNT-seostuksella voidaan boorikarbidin sitkeyttä nostaa 15 % ja kovuutta 30 %. Yhdessä optimaalisen valmistusmenetelmän ja muiden seosaineiden valinnan kanssa voidaan boorikarbidin ominaisuuksia parantaa huomattavasti suojarakennekäytön kannalta. Tutkituista yhdistelmistä optimaalisimmat materiaaliarvot boorikarbidirakenteelle saavutettiin kipinäplasmasintrauksella, 3 % CNT-pitoisuudella ja zirkonium- sekä alumiinipohjaisella seostuksella yhdessä raekoon pienentämisen kanssa. This Bachelor’s thesis elaborates the use of boron carbide with carbon nanotubes, the material selection for bulletproof armors, and its utilization in Finnish Defense Forces. Armor material’s functional requirements were measured using VDI 2221-grading in applicable parts and the most critical functional requirements were derived from the scoring. Effects of different manufacturing processes and alloying were analyzed and the optimal methods and alloying elements were measured.
The most crucial requirements for armor structures are good protection against different threats, light weight, good strength properties and small space requirement. The most important material properties for armor structures were elastic modulus, porosity, hardness and flexural strength. With 3 weight percent carbon nanotube reinforcing hardness can be improved by 30 % and toughness by 15 %. Along with the most suitable manufacturing process and the optimized alloying elements the properties of armor structure can be strongly improved. The most optimal combination was achieved manufacturing the boron carbide using spark plasma sintering, 3 % carbon nanotubes and with zirconium and aluminum-based alloying.
Suojarakenteilta vaaditaan suojaavuutta erilaisia uhkia vastaan sekä keveyttä, hyviä lujuusominaisuuksia ja pientä tilantarvetta. Tärkeimmät materiaaliominaisuudet suojarakennekeraamille ovat kimmomoduli, tiheys, kovuus, taivutuslujuus ja sitkeys. 3 % CNT-seostuksella voidaan boorikarbidin sitkeyttä nostaa 15 % ja kovuutta 30 %. Yhdessä optimaalisen valmistusmenetelmän ja muiden seosaineiden valinnan kanssa voidaan boorikarbidin ominaisuuksia parantaa huomattavasti suojarakennekäytön kannalta. Tutkituista yhdistelmistä optimaalisimmat materiaaliarvot boorikarbidirakenteelle saavutettiin kipinäplasmasintrauksella, 3 % CNT-pitoisuudella ja zirkonium- sekä alumiinipohjaisella seostuksella yhdessä raekoon pienentämisen kanssa.
The most crucial requirements for armor structures are good protection against different threats, light weight, good strength properties and small space requirement. The most important material properties for armor structures were elastic modulus, porosity, hardness and flexural strength. With 3 weight percent carbon nanotube reinforcing hardness can be improved by 30 % and toughness by 15 %. Along with the most suitable manufacturing process and the optimized alloying elements the properties of armor structure can be strongly improved. The most optimal combination was achieved manufacturing the boron carbide using spark plasma sintering, 3 % carbon nanotubes and with zirconium and aluminum-based alloying.