Nghiên cứu chế tạo tấm giáp chống đạn phức hợp gốm ôxit nhôm-compozit kevlar

Bài báo này giới thiệu về công nghệ chế tạo tấm giáp chống đạn phức hợp gốm oxit nhôm - composite Kevlar, là loại chống được các loại đạn có động năng cao và đang được dùng rộng rãi trên thế giới.

Preparation of the alumina ceramic-kevlar composite complex armor plate

T. V. Khoa¹⁾ , T.T.Phương¹⁾ , N.T.Minh¹⁾ , P.V.Cường¹⁾ , V.L.Hoàng¹⁾ , N.T.Huy¹⁾ ,N. K. Hoàn²⁾ 1) Viện Công nghệ, Tổng cục CNQP; 2) Cục KHCN và MT, Bộ QP

Tóm tắt

   Tấm gốm được chế tạo từ bột α-Al ₂O₃ (98%) và các phụ gia CaO, SiO₂, MgO, TiO₂ với nhiệt độ thiêu kết ở (1550-1600) °C trong môi trường không khí. Tấm gốm được gắn với tấm composite Kevlar-epoxy tạo thành tấm giáp phức hợp có kích thước 250 x 300 x 19 (mm), trọng lượng ≈ 3 kg. Tấm giáp phức hợp sau khi chế tạo được bắn thử nghiệm khả năng chống đạn K56 bằng súng AK 47 ở khoảng cách 15 m. Kết quả cả 6 phát bắn đều không xuyên thủng giáp và vết lõm trên mặt đất sét gắn sau tấm giáp đạt tiêu chuẩn Mỹ NIJ.01.01.04 với chiều sâu nhỏ hơn 44 mm.

Abstract

   This paper presents the preparation technology for the alumina ceramic - Kevlar composite complex armor plate, which protects against high kinetic energy bullets and has been widely used in the world. The ceramic tiles were prepared from α-Al ₂O₃ powder (98 %wt) and CaO, SiO₂, MgO, TiO₂ additives with sintered temperature of 1550°C. Complex armor plates were made by gluing ceramic tiles to Kevlar/epoxy composite sheet with dimen- sions of 250 x 300 x 19 (mm) and 3 kg weight. Alumina ceramic - Kevlar composite complex armor plates were tested on resistance to K56 bullet fired by AK 47 rifle at distance of 15 m. The results showed that the armor plates were not penetrated through by 6 rifle shots and the depth of backface signature in backing materials (clay) was lower than 44 mm (American NIJ Standard - 01.01.04).

I. Giới thiệu

   Áo giáp nói chung và áo giáp chống đạn (AGCĐ) nói riêng đã được sử dụng từ thời xa xưa. Hiện nay tính nguy hiểm của các loại đạn ngày càng cao, yêu cầu bảo vệ tính mạng của con người và các bộ phận thiết yếu phương tiện chiến tranh càng lớn, đòi hỏi AGCĐ phải có tính năng đặc biệt. Sự phát triển của khoa học công nghệ vât liệu những năm gần đây đã cho phép sản xuất các loại giáp có tính năng cao. Các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Nga, Anh, Pháp, Canada, Nhật, Israel… đều sản xuất các loại AGCĐ tiên tiến [1,2].

   Trong chiến tranh Irak, từ 2003 Mỹ và liên quân đã trang bị AGCĐ cho các sỹ quan và binh lính nhằm giảm thương vong, tuy nhiên lực lượng quân nhân được trang bị còn rất ít do giá thành mỗi chiếc áo lên tới vài nghìn USD, vì vậy gần đây nhiều gia đình quân nhân Mỹ phải tự tìm mua cho chồng con mình đóng quân tại Irak [3]. * Tiêu chuẩn của AGCĐ Có nhiều tiêu chuẩn phân loại AGCĐ của nhiều nước khác nhau như tiêu chuẩn của Mỹ, Nga, úc.... Các tiêu chuẩn này quy định về phân loại cấp chống đạn và điều kiện thử nghiệm của các cấp chống đạn. Hiện nay, tiêu chuẩn NIJ 0101.04 của Mỹ được áp dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới, đặc biệt là ở các nước chưa có tiêu chuẩn riêng [4]. Theo tiêu chuẩn NIJ 0101.04, các cấp chống đạn được phân loại theo bảng 1:

Bảng 1. Phân loại cấp chống đạn theo tiêu chuẩn NIJ 0101.04 AGCĐ

   Từ bảng 1 có thể thấy các cấp chống đạn từ I đến IIIA tương ứng với khả năng chống chịu các loại đạn đầu tròn có sơ tốc đầu đạn tương đối thấp (700m/s), tức là đạn của các loại súng nòng dài như AK, súng bắn tỉa hoặc súng máy.

   * Các loại vật liệu mới cho áo giáp chống đạn.

   Về cơ bản AGCĐ hiện tại sử dụng 3 loại vật liệu tiên tiến:

1.1. Vật liệu tổ hợp trên cơ sở các loại sợi độ bền cao

   Khi viên đạn bắn vào giáp bằng vật liệu sợi bền cao, nó bị cản giữ lại trong một “mạng nhện (web)” gồm các sợi rất bền. Các sợi này hấp thụ và phân tán năng lượng va đập của viên đạn làm cho viên đạn bị biến dạng hoặc bẹt đầu ra, năng lượng còn lại được lớp tiếp theo trong áo giáp hấp thụ cho đến khi viên đạn dừng lại.

   Hiện nay vật liệu tổ hợp trên cơ sở các loại sợi bền cao được sử dụng để chế tạo các loại AGCĐ cản được các loại đạn năng lượng thấp hoặc trung bình, nó có ưu việt là nhẹ, có thể sản xuất với năng suất chế tạo cao, tương đối rẻ tiền. Nó cũng được dùng làm lớp bề mặt (facing material) và lớp lót sau (backing material) cho các loại AGCĐ có các tấm gốm siêu bền, có khả năng chống được các loại đạn đầu nhọn có năng lượng cao. Các loại sợi thường dùng là Kevlar, Spectra Dyneeme… như trên đã trình bày [5].

1.2. Vật liệu gốm kết cấu tiên tiến (Monolithic Structural Ceramics)

   Việc sử dụng gốm kết cấu để chế tạo AGCĐ là một ứng dụng tương đối mới. Gốm chống đạn được nghiên cứu phát triển ở Mỹ vào những thập kỷ 60 của thế kỷ XX. Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu này là khả năng giữ cản được các loại đạn xuyên năng lượng cao đầu nhọn (đầu đạn có lõi thép hoặc hợp kim cứng, hợp kim nặng) đồng thời phải có tỷ trọng thấp để trọng lượng AGCĐ nhỏ. Thông thường AGCĐ bằng vật liệu gốm (hình 1) bao gồm các tấm gốm siêu bền (lớp 2) được phủ 2 mặt bằng vật liệu tổ hợp từ sợi bền cao như Kevlar, Spectra (lớp 1 và 3). Do tác động của lực va đập rất lớn của viên đạn (tốc độ lên tới 700~800 m/s) đầu viên đạn bị tòe ra như hình nấm, vật liệu gốm cũng bị phá hủy do hấp thụ động năng của viên đạn theo cơ chế phá hủy dòn. Năng lượng còn lại của viên đạn sau khi va chạm vào các mảnh gốm được hấp thụ tiếp bởi lớp vật liệu tổ hợp nền sợi độ bền cao; lớp vật liệu này còn có tác dụng cản giữ các mảnh gốm bị vỡ ra do viên đạn đập vào và cản giữ chính viên đạn.

Hình 1. Sơ đồ cấu tạo và cơ chế chống đạn của AGCĐ bằng gốm Al₂O₃

   Hiện nay người ta thường sử dụng các vật liệu gốm kết cấu tiên tiến có độ cứng cao (Hv>10GPa) độ bền uốn (200÷800) MPa, môdun đàn hồi (300÷600) GPa và độ dai phá hủy KIC= (3÷10)MPa m^1/2. Gốm kết cấu bao gồm: gốm oxit chủ yếu là ôxit nhôm αAl₂O₃ và gốm phi ôxit như SiC, B4C, TiC, AIN… Gốm kết cấu ôxit, đặc biệt gốm kết cấu ôxit nhôm αAl₂O₃ có cơ lý tính rất cao, tỷ trọng tương đối thấp (≈3,9g/cm³) đặc biệt có thể sản xuất bằng các công nghệ không đòi hỏi thiết bị phức tạp, đắt tiền nên giá thành thấp và hiện nay đang được sử dụng khá rộng rãi để chế tạo AGCĐ. Về cơ bản gốm phi ôxit làm AGCĐ có cơ-lý tính rất cao và tỷ trọng thấp rất phù hợp cho chế tạo AGCĐ, song các loại gốm này phải chế tạo bằng các công nghệ và thiết bị đắt tiền, đặc biệt là công nghệ ép nóng nên có giá thành cao, cao hơn nhiều so với gốm ôxit nhôm [6,7].

1.3. Vật liệu tổ hợp trên nền gốm (Ceramics matrix composites).

   Vật liệu tổ hợp trên nền gốm có cơ tính rất cao, đặc biệt là độ dai phá hủy KIC; do đó vật liệu này có độ bền chắc (Integrity) tốt hơn so với gốm kết cấu đã nói ở trên. Vật liệu tổ hợp nền gốm là các loại vật liệu gốm được tăng bền bằng các pha phân tán dạng hạt, dạng thanh, râu hoặc các sợi như gốm tổ hợp αAl₂O₃ /sợi SiC; αAl₂O₃ / sợi C, TiB₂/ hạt B₄C; do nguyên liệu đầu vào có dạng đặc biệt như sợi, râu, hạt của các hợp chất siêu cứng và chỉ được sản xuất bằng công nghệ đặc biệt nên giá thành của các loại vât liệu này khá cao, chỉ được dùng để chế tạo các loại giáp đặc biệt dùng để bảo về các nguyên thủ quốc gia, các tài liệu đặc biệt hoặc các bộ phận cực kỳ quan trọng của thiết bị quân sự [8].

   * Mục đích của công trình nghiên cứu.

   Do sự cần thiết phải trang bị áo giáp chống đạn cho lực lượng vũ trang như cảnh sát, quân đội, các đội bảo vệ và đặc nhiệm, nhiều đơn vị đã nhập nhiều loại áo giáp chống đạn khác nhau từ nhiều nước với cấp độ bảo vệ khác nhau, từ các loại áo mềm cấp IIIa trở xuống đến các loại áo có giáp cứng cấp III và cấp IV. Trong nước một số đơn vị đã nghiên cứu và chế tạo áo giáp chống đạn bằng các loại vải dệt từ sợi có độ bền cao như Kevlar, Dyneeme và đạt cấp IIIa chống được đạn K59 trở xuống. Chưa có nơi nào nghiên cứu chế tạo các tấm chống đạn phức hợp Gốm-Kevlar là các tấm giáp có tác dụng chống được các loại đạn có động năng cao đáp ứng các yêu cầu cấp III, IV mà thế giới hiện nay đang dùng phổ biến để trang bị cho quân đội và cảnh sát.

   Để có thể theo kịp các nước trong lĩnh vực sản xuất áo giáp chống đạn, bộ Quốc phòng đã giao cho Viện Công nghệ, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm đặc biệt và chế thử áo giáp chống đạn” với mục đích chế tạo được áo giáp chống đạn có tấm giáp phức hợp Gốm-Kevlar có khả năng chống được đạn K56 bắn từ súng AK-47 là loại vũ khí được sử dụng phổ biến trên chiến trường hiện nay có động năng và sức sát thương rất cao.

2. Thực nghiệm

2.1. Chọn vật liệu

   Như phần tổng quan đã trình bày, gốm kết cấu ôxit nhôm có cơ tính cao, tỷ trọng tương đối thấp (≈3.9 g/cm³) nguyên vật liệu sẵn, giá thành sản xuất thấp, đặc biệt gốm này có thể được sản xuất bằng các công nghệ không đòi hỏi thiết bị phức tạp nên có thể sản xuất loạt lớn với chi phí không cao. Chính vì vậy phần lớn các hãng sản xuất áo giáp chống đạn trên thế giới như: Ceradyne Inc; M Cubed technologies; Cercon Inc, Reliance (Mỹ); Body Armor UK Protection system (Anh); Eagle Bodyarmor (Hà lan); ZFI Inc (Israel)… đều chọn vật liệu này để sản xuất giáp chống đạn.

2.2 Yêu cầu đối với gốm ôxit nhôm làm giáp chống đạn [4]

   Cơ chế phá hủy tấm gốm khi bị viên đạn va đập vào khá phức tạp, sự tạo thành các vết nứt xảy ra trong một khoảnh khắc rất ngắn và do hàng loạt các nhân tố ứng suất khác nhau, do vậy từng tính chất riêng rẽ của vật liệu không xác định tính năng chống đạn của vật liệu, mà tổ hợp các yêu cầu cơ- lý tính của vật liệu có tầm quan trọng quyết định. Mật độ của vật liệu gốm càng thấp càng tốt, song không có nghĩa là có thể chấp nhận trạng thái kết khối xấu, vì lúc đó độ xốp tăng ảnh hưởng nghiêm trọng đến các tính chất cơ-lý khác. Độ xốp của gốm phải rất thấp. Độ cứng của gốm phải cao, cao hơn độ cứng của lõi đầu đạn. Độ dai phá hủy KIC của vật liệu gốm không cần cao lắm, thực tiễn cho thấy vật liệu gốm có KIC cao không thể hiện tính vượt trội về khả năng chống đạn.

   Mặc dù vậy KIC không thể quá thấp vì cần đảm bảo tỷ lệ hợp lý giữa độ cứng (thể hiện tính dòn) và KIC (thể hiện tính dẻo) của vật liệu gốm. Đối với gốm ôxit nhôm KIC ≥ 3 MPa m^1/2 là đạt yêu cầu. Do cơ chế chống đạn của vật liệu gốm khá phức tạp nên mọi thông số về độ bền như môdun Young, độ bền nén, độ bền uốn đều được tính đến. Đối với gốm Al₂O₃ môdun Young E > 300 GPa độ bền uốn σ_u ≥ 250 MPa đảm bảo tính năng chống đạn tốt.

2.3. Công nghệ chế tạo tấm gốm

   Nguyên liệu bột ôxit nhôm αAl₂O₃ có độ sạch 99,47%, kích thước hạt trung bình 0,7μm và phụ gia TiO₂, CaO, SiO₂, MgO được nghiền trộn trên máy li tâm hành tinh với tốc độ quay 1200v / phút trong thời gian 6h. Bột hỗn hợp sau đó được sấy khô, tạo hạt và ép thành mẫu gốm với áp suất 1T/ cm². Mẫu gốm sau đó được sấy ở nhiệt độ 150°C trong 72h và thiêu kết trong lò điện Nabertherm ở nhiệt độ (1550 -1600) °C trong 2 giờ.

2.4. Công nghệ tạo tấm giáp phức hợp gốm αAl₂O₃ Kevlar - epoxy

   Xếp từng tấm vải Kevlar 29 + epoxy đã cắt theo kích thước tấm giáp trên đồ gá tạo độ cong của tấm giáp cho đến khi đạt độ dày tính toán là 9mm. Đặt tấm gốm lên bề mặt tấm Kevlar, sau đó gắn tiếp (2-3) lớp Kevlar bảo vệ phía ngoài. Toàn bộ kết cấu được ép dưới áp lực và chờ kết khối tự nhiên trong vòng 24 giờ. Tấm giáp phức hợp được chế tạo với kích thước 250 x 300 x 19 mm có trọng lượng 3 kg.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Cơ tính của vật liệu gốm

   Các tấm gốm sau thiêu kết đạt độ cứng HV10: (10÷11) GPa, độ bền uốn σ_u: (285÷310) MPa, K_IC: (2,8÷3,2) MPa m^1/2 và mật độ γ= 3,8 g/ cm³.

   Các giá trị cơ tính của vật liệu gốm đều nằm trong khoảng phù hợp để sử dụng cho mục đích chống đạn [4].

   Hình 2 trình bày ảnh của một số mẫu gốm tấm lớn và tấm nhỏ được chế tạo tại Viện Công nghệ, Tổng cục CNQP.

Hình 2 và 3

3.2. Cơ tính của vật liệu compozite kevlar/epoxy

   - Giới hạn bền kéo σ_k = (240 ÷ 250) MPa

   - Giới hạn bền nén σ_n = (600 ÷ 650) MPa

   - Độ dai va đập a_k = (0,49 ÷ 0,57) MPam

   - Mật độ γ = (1,35 ÷ 1,4) g/cm³

3.3. Kết quả bắn thử nghiệm tấm giáp chống đạn

   Tấm giáp phức hợp gốm Al₂O₃- Kevlar epoxy được bắn thử nghiệm đánh giá khả năng chống đạn K56, bắn bằng súng AK- 47 theo tiêu chuẩn NIJ-01.01.04 tại trường bắn của viện Vũ khí, Tổng cục CNQP. Đạn K56 cỡ 7,62 x 39 mm trọng lượng đầu đạn 7,9 g, có lõi thép Φ4 x 20 sơ tốc 715 m/s, được bắn bằng súng AK- 47, miệng súng đặt cách tấm giáp thử nghiệm 15 m.

   Tấm giáp được gắn trên hộp đất sét tiêu chuẩn mà chất lượng được kiểm tra theo điều 5.7.5 NIJ.01.01.04. Mỗi tấm được bắn 6 phát, cách mép tấm không nhỏ hơn 76 mm (3 inch) và cách nhau không nhỏ hơn 51 mm (2 inch) theo điều 3.14 của NIJ.01.01.04.

Hình 4. Tấm giáp ghép mosai sau khi bắn: a) mặt trước, b) mặt sau

   Kết quả cả 6 phát đều không xuyên thủng giáp. Vết lõm trên mặt đất sét gắn tấm gốm đạt tiêu chuẩn NIJ01.01.04 có chiều sâu nhỏ hơn 1,73 inch (44 mm) (hình 3, 4).

4. Kết luận

   Từ các nguyên vật liệu có thể mua ở trong nước, với các trang thiết bị hiện có, bằng công nghệ gốm và công nghệ vật liệu compozit đã chế tạo thành công áo giáp chống đạn K56 bắn 06 phát trên súng AK-47, là loại vũ khí được trang bị phổ biến trên thế giới.

   Năm 2009-2010, với sự đầu tư của chương trình khoa học cấp nhà nước, sẽ nghiên cứu chế tạo áo giáp chống đạn cấp III theo tiêu chuẩn NIJ 01.01.04.

[symple_box color="gray" text_align="left" width="100%" float="none"]

1. Selection and Aplication Guide to Police Body Armor, US. Department of Juistice, Office of Justice Program, National Institute of Juistice, October, 1988.
2. Advanced ceramic armor, Ceradyn. inc, 2003.
3. Ballistic Resistance of Personal Body Armor, NIJ Standard - 0101.04, U.S. Department of Justice.
4. Eugene Mevedovski, Alumina Ceramics for Ballistic Protection, American Ceramic Society Bulletin,Vol 81, N3, March 2002.
5. Dov Shurman, Impact failure mechanism in alumina tiles on finite thickness support and the effect of con- finement, International Journal of Impact Engineering, 24, 2000, 313-328.
6. Bloks et al, Armour plate, United states patent, No 4,813,334, 1989. 7. Percilballi, Ceramic armor apparatus for multiple bullet protection, United states patent, No 6,408,733, 2002 8. Ghiorse et al, Armor with in-plane confinement of ceramic tiles, United states patent, No US 2002/0178900 A1.

[/symple_box][symple_clear_floats]