Dynamic behaviour of ceramic armour systems

Beskyttelse mot anslag fra blant annet prosjektiler ved høy hastighet er et viktig tema innen både militære og sivile anvendelser. Lettvektsløsninger for ballistisk beskyttelse av personell kan designes ved å kombinere ulike materialer med ulike egenskaper. Disse hybridsystemene har typisk en hard plate av keramikk som avrunder, bryter opp og eroderer prosjektilet, samt en myk ’backing’ laget av ballistiske fibre som absorberer den gjenværende energien. FFI har i mange år vært involvert i utvikling av og forskning på ballistisk beskyttelse for militært personell. I perioden 2004 til 2007 ble teknologien bak en beskyttelsesplate for soldater utviklet i samarbeid med norsk industri. For videre utvikling av teknologien er det imidlertid nødvendig med en bedre forståelse av hvilke mekanismer som finner sted ved ballistiske anslag. Dette er et tema som for tiden studeres i flere prosjekter ved FFI, og denne rapporten ble skrevet som en del av dette arbeidet. Keramikk har generelt lav tetthet og høy hardhet. Disse, og andre, egenskaper gjør materialet anvendbart for ballistisk beskyttelse. De vanligste keramikktypene som er benyttet i beskyttelsesløsninger er – i stigende rekkefølge med tanke på økt ytelse - aluminiumoksid, silisiumkarbid og borkarbid. Mekanismene som keramikk bryter sammen med ved høyhastighets anslag er relativt komplekse. De involverer feilmekanismer som for eksempel dannelse av radielle sprekker, dannelse av en kjegle gjennom keramikkplaten og fragmentdannelse som følge av mikrosprekker under anslagspunktet. Hvor mye hver enkelt mekanisme bidrar, og i hvilken rekkefølge de opptrer, avhenger av faktorer som anslagshastigheten, egenskapene til keramikken og prosjektilet, samt dimensjonene til keramikken og prosjektilet. For å bedre ytelsen til et ballistisk beskyttelsessystem basert på keramikk, er det ønskelig å forsinke nedbrytningen av keramikken så lenge som mulig. Dette gir lenger tid til deformasjon og erosjon av prosjektilet. Det har blitt rapportert i litteraturen, og erfart gjennom arbeid utført ved FFI, at ulike metoder kan benyttes for å bedre den ballistiske ytelsen. Egenskapene ved ett eller flere anslag kan bedres ved å legge et annet materiale (for eksempel et fiberkompositt) rundt kanten av keramikken, ved å dekke keramikken med et lag av et annet materiale, og/eller ved å endre heften i grenseflaten mellom dette laget og keramikken. Hovedmålet med denne rapporten er å gi en oversikt over mekanismene som er involvert i nedbrytning av keramikk, og beskyttelsesløsninger basert på keramikk, ved ballistiske anslag (det vil si ved dynamiske påvirkninger). Feilmekanismene, hvilke faktorer som kontrollerer feilmekanismene, og hva som kan gjøres for å forsinke nedbrytningen av keramikken, blir gjennomgått med grunnlag i utvalgt litteratur om disse temaene.