Modern savaşlarda, kullanılan malzemelerin bir bireyin veya aracın taktik eylemlerinin performansını olumsuz etkilememesi için yeterli ve etkili balistik koruma ile donatılmış olması gerekir. Bu amaçla, göreve bağlı olarak, bireylerin vücut koruması için esnek vücut zırhları, göğüs plakaları ve kasklar kullanılabilir. Ek olarak, çeşitli kalibrelerdeki mermilerin taşıyıcılar, tanklar, helikopterler gibi zırhlı araçlara nüfuz etmesini, hasar vermesini ve tahrip etmesini önleyebilecek şekilde tasarlanacak balistik malzemelere ihtiyaç vardır. Bu yazı, seramik ve seramik kompozitlere odaklanarak zırh malzemelerinin tanımı ve sınıflandırılması, seramik fiberlerin kullanımı, seramik bazlı balistik malzemelerin işlenmesi ve seramik bazlı kompozit balistik malzemelerin tasarımı ve üretimi konularını içermektedir.

Balistik Koruma Malzemeleri

Tarih boyunca silahların gelişimine kalkanların gelişimi de eşlik etmek zorunda kalmıştır. Antik çağlardan günümüze kadar, silahların geliştirilmesine paralel olarak personel ile motorlu araçların balistik koruması konusunda sürekli bir yarış olmuştur. Demir çağından yakın geleceğe kadar, kalkanlar yeterli koruma sağlayan metallerden yapılmıştır. Yirminci yüzyılın ortalarında ise, kompozit malzemelerin mermi nüfuzuna karşı korumada olası kullanımı üzerine araştırmalar başlamıştır. O dönemin zırh yapım teknolojisindeki ani değişim bilim kurgu gibi görünmüştür. Kompozit kaskların seri üretimi 1970’lerde ABD ve İngiltere’de başlamış, bunu savaş araçları için kompozit tabanlı zırhlı panellerin üretimi izlemiştir. Günümüzde, insanların ve araçların balistik korumasına yönelik modern malzemeler belirli gereklilikleri karşılamalıdır. Bu tür malzemeler genel olarak hafif, uygun maliyetli, düşük yoğunluklu, yüksek basınç dayanımına sahip, yüksek sertlik, dayanıklılık ve belirli bir kalibrede bir mühimmatı, tutma veya kırma kapasitesine sahip olması gereken malzemeler olarak tanımlanabilir.

Günümüzde balistik malzemeler dört temel kategoriye ayrılabilir:

– Metal (örn. alüminyum, zırh çeliği),

– Polimerler (örn. polietilen, aramid),

– Yukarıdaki malzemelerin kompoziti (örneğin, reaktif zırh sistemi).

Daha önce de belirtildiği gibi, metaller savaş operasyonlarında oldukça sık tercih edilen ve savunma amaçlı kullanılan en eski malzemelerdir. Modern alüminyum bazlı balistik malzemeler ise genellikle 7xxx serisi alüminyum alaşımdan yapılmaktadır. Çalışmalara göre, bu alaşımların performansı yaşlandırma ısıl işlemi ile iyileştirilebilir ve sinterleme parçacık boyutu tarafından kontrol edilebilir. Özellikle 7039 alüminyum alaşımları, yüksek gücü ve enerjiyi absorplama yeteneği ile olağanüstü bir öneme sahiptir. Bu malzemeler savaş araçlarında zırh malzemesi olarak kullanılmaktadır. Sertleştirilmiş çelikten yapılan zırh plakaları ise, nesnelerin darbe hasarına karşı korunmasını sağlamak için uzun yıllardır kullanılmaktadır. Balistik araç korumasında kullanılan çeliklerin ticari temsilcileri Mars ® 300, yüksek mukavemetli çelikler, yani AISI 4340 ve DIN 100Cr6’dır.

Personel ve araçların balistik korumasına yönelik matrisin güçlendirilmesi için kullanılan polimerik bazlı malzemeler para-aramid grubu (örn. Kevlar® ve Twaron®), ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (UHMWPE) (örn. Spectra®, Dyneema® ve Technora®) sıvı kristal polimer fiberler (örn. Zylon® ve Vectran®) olarak ayrılabilir. Polimerik malzemelerin özellikleri değerlendirildiğinde öncelikle hafiftir. Fakat polimerik malzemelerden yapılan balistik kompozitlerin birincil dezavantajı yüksek sıcaklık, nem, radyasyon, ultraviyole (UV) ışığa vb. duyarlıdır, bu yüzden vücut zırhının dayanıklılığını ve güvenilirliğini incelemek çok önemlidir.

Mermi nüfuzuna karşı korumada kullanılabilecek çok çeşitli seramikler ve seramik-matris kompozitler bulunmaktadır. Bu seramik malzemeler oksit seramikler ve oksit olmayan seramikler olarak ikiye ayrılabilir. Alümina yüksek yoğunluğu (3,95 g/cm^-3), nispeten yüksek fiziksel özellikleri, düşük maliyeti ve kolay üretimi ile balistik malzeme yapımında en yaygın kullanılan oksit seramiktir. Diğer oksit olmayan seramik malzeme türleri karbürler, nitrürler ve borürlerdir.

Seramik ve Seramik Kompozitler

Modern savaşın gerekliliklerini karşılayabilecek kaliteli bir balistik kompozit yapmak için en uygun bileşimi ve koşulları bulmak gerekir. Ana balistik malzemenin amacı hem etkili hem de daha hafif koruma sistemleri geliştirmektir. Seramik ve seramik-kompozit, 5083 Al ve yüksek sertlikte çelik kadar zırh koruması sağlayabilen hafif malzemelerdir. Ancak metal uygulamaların aksine, bu uygulamalar personel ekipmanlarının ya da motorlu araçlarının kütlesini azaltarak hareket kabiliyetini artırır. Ayrıca bu malzemelerin vücut zırhı için kullanımı, mühimmat çarpması sonucu oluşan travmayı da hafifletmektedir.

Seramik Fiberler

Seramik elyaflar mükemmel fiziksel ve mekanik özelliklere sahiptir (örn, yüksek mukavemet ve yüksek modül özellikleri). Çok yüksek sıcaklıklara karşı oldukça yüksek dirençleri nedeniyle bu lifler, havacılık ve roket endüstrisinde yüksek düzeyde fiziksel ve mekanik yüke dayanabilen nesnelerin üretiminde kullanım alanı bulmuştur.

Askerlerin ve araçların balistik korumasını artırmak için kompozit üretiminde kullanılan diğer liflerin aksine (poli aramidler, cam, aromatik polyesterler, ve UHMWPE), seramik elyaflar 12.000°C’ye kadar sıcaklıklara dayanabilir. Balistik koruma için kullanılan malzemelerin bu kadar yüksek sıcaklıklara dayanması gerekmez ve birincil ihtiyaç merminin nüfuz etmesini önlemektir. Balistik korumayı artırmak amacıyla kompozit malzemeler yapmak için seramik elyaflardan üretilen kumaşlar iki boyutlu (2D) ve üç boyutlu (3D) kumaşlar olabilir. İki boyutlu dokuma kumaşlar esas olarak balistik uygulamalar için kompozit üretiminde kullanılır. Lamine balistik kompozitlerde, iç içe geçmiş farklı iplik türleri, yani kumaşın uzunluğu boyunca uzanan farklı iplikler (warp) ve uçtan uca giden iplikler (weft) önceden tanımlanmış bir desene göre birleştirilebilir. Bir veya iki katmanda görülebilen katmanların kombinasyonu, balistik direnci ve penetrasyon direncini artırır. Çoklu 2D dokuma kumaşlar, özellikle arka yüz deformasyonunu azaltarak balistik ve bıçaklanma direncini arttırmak suretiyle balistik ve penetrasyon direnci sağlamak için katmanlanabilir. 2D dokuma kumaşın dezavantajı, mermi etkisinden dolayı sıralı delaminasyon olasılığının yüksek olması ve matrisin bozulmasından kaynaklanan yapışmanın zayıflamasıdır. Bir veya daha fazla yönde görülebilen katmanların kombinasyonu, balistik direnci ve delinme direncini geliştirerek çoklu 2D dokuma kumaşlarla sonuçlanır. Çoklu 2D dokuma kumaşlar, özellikle balistik ve delinme direncini artırarak, özellikle arka yüz deformasyonunu azaltarak balistik ve delinme direnci sağlamak için katmanlanabilir. 2D dokuma kumaşın dezavantajı, mermi etkisinden dolayı sıralı delaminasyon olasılığının yüksek olması ve matrisin bozulmasından kaynaklanan yapışmanın zayıflamasıdır. 3D’de Z-yönelimli liflerin varlığı, çapraz iplik katmanları nedeniyle düzlem-içi özellikleri geliştirir, böylece delaminasyon sorunu için çözüm olabilir. Aşağıda balistik kompozit üretiminde kullanılan 2D ve 3D kumaşların çeşitli örgü yapılarını göstermektedir.

Aşağıdaki tablo ise, balistik koruma ürünlerinin üretim sürecinde kullanılabilecek farklı seramik elyafların yoğunluk ve Hugoniot elastik limitlerini (HEL) göstermektedir. Ekonomik karlılık açısından, alümina seramik elyafların kullanımı, yüksek fiziksel ve mekanik özelliklere sahip gelişmiş seramik elyaflar arasında en uygun olanıdır. 

Alümina (Al₂O₃)

İyi fiziksel ve mekanik özelliklerinden dolayı, personel ve araçların balistik korumasında en sık kullanılan malzeme olduğundan daha önce bahsedilmişti. Alümina üstün darbe dayanımı, kimyasal direnç ve aşınma direnci gibi özelliklerinin yanı sıra diğer seramik malzemelerden daha ucuzdur. Alümina birkaç farklı fazda bulunabilir: alfa (α), beta (β), gama (γ), eta (η), qi (χ), delta (δ) alümina vb. α-alümina partikülleri beyaz toza benzer ve küçük bir aktif yüzeye sahiptir. Yüksek sıcaklıklara karşı daha dayanıklıdır ve çok iyi fiziksel ve mekanik özelliklere sahiptir. Çoğunlukla seramik malzeme olarak kullanılırlar. β-alümina, katmanlı ve altıgen bir yapıya sahiptir. γ-alümina partikülleri de yüksek saflıkta nano-alüminyum oksitlerdir ve ayrıca geniş bir aktif yüzey alanına sahiptir. Bu tür malzemelerin kafesleri gözeneklidir ve yüksek sıcaklıklarda kararlıdır. γ-alüminanın yapısı değiştirilerek, adsorban ve/veya katalizör olarak kullanılabilirler. η-Al₂O₃ partikülleri γ-Al₂O₃ ile benzer bir kristal yapıya ve geniş bir spesifik yüzey alanına (2200 m² g^-1) sahiptir, bu nedenle adsorban olarak modifiye edilmeden veya belirli modifikasyonlar yapılırsa katalizör olarak kullanılabilirler. χ-Al₂O₃ fazındaki alümina, yüksek termal stabiliteye ve metal katyonlarını bağlama yeteneğine sahip altıgen kristal yapıda metastabil bir malzemedir, bu nedenle katalizör olarak kullanılabilir.  Balistik koruyucu ekipmanın sinterlenmesi için alümina tozu sentezi sol-jel, yaşlandırma ve hidrotermal yöntemlerle elde edilebilir. Aşağıda CeramTec12000 tarafından üretilen alümina bazlı balistik plakaların fiziksel ve mekanik özelliklerini göstermektedir.

Silisyum Karbür(SiC)

Günümüzde yaygın olarak kullanılan alümina malzemelerin yanı sıra, silisyum karbür, önemli ağırlık azaltımı veya artırılmış mekanik özelliklerin gerekli olduğu yerlerde kullanılacaktır. Bu seramik malzeme çok yüksek sertliğe ve yüksek mukavemet-ağırlık oranına sahiptir, bu da Silisyum Karbürü zırh uygulamaları için çok uygun hale getirir. Bahsedilen özelliklerin yanı sıra, balistik koruma kullanımı için önemli parametre malzemenin yüksek darbe direncidir. Fiziksel ve mekanik özellikler üretim yöntemine bağlıdır. Sinterleme, sıcak presleme, sıcak izostatik presleme, RB (reaction bonding) ve spark plazma sinterleme ile üretilebilir. Silisyum Karbürün proses sıcaklığı yaklaşık 1600°C’dir. Günümüzde ise, silisyum karbür özellikleri üzerine yapılan çalışmalar, teller, çubuklar ve tüpler gibi tek boyutlu nano yapıların, toplu muadillerine kıyasla mükemmel fiziksel ve mekanik özelliklerinin bir sonucu olarak sürekli ilgi gördüğünü göstermiştir. Aşağıdaki tabloda ise ticari amaçlı üretilen Silisyum Karbür bazlı balistik plakaların fiziksel ve mekanik özellikleri gösterilmektedir.

Bor Karbür (B₄C)

Bor Karbür yüksek sertlik, Hugoniot elastik sınırı ve düşük özgül ağırlık gibi olağanüstü fiziksel ve mekanik özelliklere sahip seramik bir malzemedir. Malzemeyi hafif balistik koruma için en iyi hale getiren ise bu özellikleridir. Bu seramik malzemenin test edilmesi, yüksek HEL değeri (15-20 GPa) olan çok ilginç bir parametreye işaret etmiştir. Malzeme, çok yüksek basınçlarda ve darbe hızlarında mukavemetinde ani bir düşüş sergiler. Balistik koruma için teorik yoğunluğun %95-99’u bor karbür olan ve farklı tane boyutuna sahip hafif balistik malzemelerin üretimi genellikle sıcak presleme ve basınçsız sinterleme ile yapılır. Aşağıdaki tabloda, Bor karbürün fiziksel ve mekanik özelliklerini göstermektedir.

B₄C balistik malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri büyük ölçüde proses yöntemine ve hammaddeye bağlıdır. Bor karbür bazlı seramik malzemenin balistik özelliği, daha iyi balistik performans elde etmek için silikon veya titanyum ilavesiyle güçlendirilebilir. Ayrıca, ham B₄C matrisi, daha iyi balistik performansa sahip bir kompozit üretmek için titanyum-diborür tozu ilavesiyle güçlendirilebilir. Üretim açısından bakıldığında, Silisyum Karbür eklenerek modifiye edilmiş Bor Karbür bazlı kompozitin vücut zırhı için gereken karmaşık şekillere sokulması daha kolaydır ve balistik açıdan neredeyse bor karbürün kendisi kadar etkilidir.

Titanyum Diborür (TiB₂)

Erime noktası 3225°C olan titanyum diborür, ultra yüksek sıcaklık seramikleri olarak sınıflandırılır. Monolitik TiB₂ ve TiB₂ bazlı seramik kompozitler, fiziksel ve mekanik özellikleri (örn. HEL, yoğunluk, mukavemet, tokluk ve sertlik, vb.) nedeniyle geniş uygulama alanına sahip malzemelerdir. Fakat çoğunlukla balistik koruma için kesici takımlarda ve malzemelerde kullanılabilir. Bu malzeme yanmaz olduğu için yüksek sıcaklıklarda da kullanılabilir. Ancak 1400°C’den daha yüksek sıcaklıklarda plastik deformasyon mekanizmasının devreye girerek tane sınırı kaymasına ve sürünme sınırına yol açtığı tespit edilmiştir. Bu nedenle son yıllarda yapılan araştırmalar, ekonomik uygulanabilirlik ve ürünün fiziksel-mekanik özellikleri açısından daha verimli olan geleneksel basınçsız tekniklere kıyasla sinterleme sürecinde iyileştirmelere yol açmıştır. Sıcak presleme veya sıcak izostatik presleme, düşük üretim sıcaklıkları ile yanmaz malzemelerin mikro yapısının iyileştirilmesini sağlamıştır. Son yıllarda, Spark Plazma Sinterleme işlemi, daha kısa bir işlem süresinde nihai ürünün yoğunluğunun artırıldığı seramik malzemelerin üretiminde önemli bir rol oynamıştır. Tabloda titanyum diborürün fiziksel, mekanik ve oksidasyon özelliklerini göstermektedir. 

Kaynakça

1. www.ceramtec-group.com
2. llfurnace.com
3. www.sciencedirect.com