DC ⋙ Portál vojenských technologií ⋙ Technologie války (Warfare) ⋙

Armor- Keramický pancíř, kompozit a nanokeramika

Stvoření každého pancíře má více úskalí. Může být výrazně lepší vůči jednomu principu střel, ale horší vůči jiným. V přehnaném případě by pak jezdila vozidla obepnutá vrstvami různého pancíře, např. jeden proti výbuchům, jeden proti kovovým průbojníkům, jeden na mechanické zničení protitankové hlavice a v budoucnu např. ještě vnější odrazná vrstva proti laserům. V omezené míře se to však u vozidel dneška již děje. Mají uvnitř kevlarový potah, pak ocelovou kostru vozidla, pak kompozitní pancíř, nad ním reaktivní pancíř a třeba ještě předsádku z klecového pancíře. Přitom by se to dalo všechno nahradit jedním, který bude na všechno, ale takový materiál vlastně neexistuje nebo nevyniká ani proti jednomu principu ničivého účinku a většinou je strašně drahý a těžký.

To všechno pochopitelně něco váží, čímž vlastně říkáme, že to snižuje pohyblivost vozidla, které musí mít daleko výkonnější motor, aby rozpohyboval tu obří hmotnost. A nejde jen o pohyblivost, už třeba otevírání dveří od auta s keramickým pancířem nelze silou holé ruky a člověk potřebuje speciálně poháněné zařízení na otevírání dveří. S tím stoupá také spotřeba a nakonec všechny logistické a servisní náklady.

Ideální materiál ještě ani při dnešních možnostech neexistuje. Pancíř byl nejdříve z homogenního kovu, později směsný (kompozitní pancíř). Pak přišel nápad neprůstřelného skla a v 80. letech něco, čemu dnes říkáme keramický pancíř. Jelikož jeden z posledních zbraňových nápadů byly kumulativní hlavice využívající tvarované výbušné nálože nebo přímo projektil tvarovaný explozí, keramický pancíř je nejúčinnější právě vůči nim.

Díky vysokorychlostním kamerám se zjistilo, že keramický plát se po zásahu drtí. Na zborcení pevných vazeb ve tvrdé látce spotřebuje hodně fyzikální práce a tím energii bodového nárazu rozvádí do stran, do celého objemu plátu. Toto borcení keramiky navíc probíhá neorganizovaně, čímž se naruší geometrie průpalného paprsku. Proto jsou keramické vrstvy často součástí nehomogenních směsných pancířů. Keramika pancíři doplňuje ty fyzikální vlastnosti, které homogenní ocela nemá, tj. ocelí může projet projektil z hustého rozžhaveného kovu jako teplý nůž máslem. Tyto vrstvené pancíře z různých materiálů pak jsou, přesně vyčísleno, několikrát odolnější než homogenní ocel, ale zároveň jsou několikrát lehčí. Přesto ale pancíř sám je těžší, než celý zbytek vozidla. Starým Peršanům stačilo 14 vrstev lněné tkaniny a měli tělesný pancíř proti mečům Řeků.

Keramické vrstvy se užívají jako body armor, ale vyšší význam mají právě u těžkých vozidel a tanků. Keramika sama je sice lehčí než stejný objem oceli, ale přesto keramické pláty platí za pekelně těžké a na manipulaci s těmito kachlemi stejně potřebujete jeřáb, abyste je vůbec mohli připnout na tank zvenčí.

Nové materiály

Existují nové experimentální a často i nanomateriály, kde si vědci pohrají s každou molekulou, jako třeba nový syntetický safír. Kromě toho je známo několik látek, spíš sloučenin, které jsou k tomu vhodnější než jiné. Jsou to např. oxid hlinitý, karbid bóru a karbid křemíku, proslulý brousek na kosu. Každopádně s různými materiály kromě kovu se experimentuje až od konce první světové války. Krásně vyčíslit to dovedou Američané a Němci, takže se např. ví, že obrnění pilotů ve Vietnamu 1965 keramickými vestami snížilo osudná zranění pilotů o 53%.

Pravým keramickým pancířem se rozumí jeden kus homogenního materiálu na jeden plát pancíře, tedy monolitický plát. Keramika sdílí mnoho vlastností s betonem, např je pevná v tlaku, ale trhá se při tahu, což zrovna u využití jako pancíř nijak nevadí. Často mají keramické pláty také krytí zvenčí nějakým výstužným materiálem, aby deska držela svůj tvar i potom, co je nadrcena. Zabránění změně tvaru je vlastně principem kompozitního pancíře: Když pustíte na podlahu keramickou sošku, rozletí se na střepy. Když ji ale napřed obepnete kovovou klecí, stává se soška ve svém tvaru vlastně nezničitelnou. A tak materiál obepínající keramické těleso (backing, arrestor) bývá stejně důležitý jako keramický plát. U něj je ovšem klíčová pevnost v tahu a ohybu. Přesto ale platí že keramický pancíř je na jedno použití. Třeba u tanků je po zásahu nutné zasažený plát ještě v poli vyměnit za nový. Proto vnější pancíř tanků sestává z tolika jednotlivých dlaždic. Udělat keramický pancíř odolným pro více zásahů (multi-hit) je dnešní motivací pro vědce, vyvíjet nové materiály. Z obrázků známe všechny ty hexagonální mřížky s různě velkou zrnitostí. Tato mřížka z jiného materiálu zde vlastně slouží jako Spall liner, látková vložka, která zamezí pancíři rozletět se na střepiny.

U vozidel, na rozdíl od tělesných pancířů, lze ten velký objem snadno tvarovat pro dosažení dalších principů pancíře, např. zkosený, předsádkový, klecový pancíř. Zejména u balistických vest dnes existuje tolik materiálů s obchodním jménem, kolik je výrobců. A často jsou to původně výrobci pneumatik, skel nebo motorů.

Nanokeramika

Při nástupu čtvrté generace pancířů byl významným inovátorem v této oblasti německý IBD Deisenroth Engineering, tvůrce proslulého německého pancíře Mexas a později Amap. Ten se i v poslední době vyšvihl svým keramickým pancířem vzniklým za využití nanotechnologií. Ten vynikal vynikající pevností v lomu a samozřejmě tvrdostí. Objem pancíře, méně již hmotnost, bylo najednou možné zredukovat o 30%. Tím se docílilo vyšší úrovně ochrany na délkovou jednotku (ale prakticky stejné hmotnosti). Experimentoval také s podobnými materiály, které o třetinu zredukovaly hmotnost, ale zase byl pancíř o to tlustší. Z nich se často vyráběly i strukturální součásti vozidel s přesně definovanými rozměry a tvary, šité na míru přesně konkrétnímu tanku. To byl nanoocelový pancíř, v němž snad největší pokrok dnes zaznamenali Japonci, ti ho však nesmí vyvážet. Ještě lepší byly nanometrické sloučeniny hliníku a titanu a ty byly zase zdaleka nejdražší. Vznikl tak hybrid materiálu na pomezí kovu a keramiky.

Nejlepších výsledků však dosahují kombinace pasivních a hard-kill aktivních prvků, zejména dnes revoluční Hardkill Active Defense System AMAP-ADS na bázi laseru, který dnes vyrábí německý zbrojař Rheinmetall. Jeho výsledek v neutralizaci hrozby je třikrát vyšší než u holého pasivního pancíře. Pasivní Amap jako kus materiálu vznikl za využití tajných postupů nanometrickým zkombinováním snad všech dřívějších materiálů dohromady, tedy ocel, hliník, titan a keramika v jednom homogenním kuse a ještě pokryt aktivním ochranným polem Amap-ADS.

Nabízí se třeba srovnání, kdy homogenní válcovaný titan má jen 58% hmotnosti homogenní oceli (RHA) při stejné odolnosti. Titanohliníková slitina dokonce 38% hmotnosti.

U nanokeramiky si musíme vystačit s údajem, že je o 70% tvrdší a o 30% lehčí než běžná keramika a má schopnost být zasažena vícekrát. Normální keramika má snad pevnost v lomu trojnásobnou oproti oceli. I zde se ale používá lepidel a prokládání různých vrstev a také jakési vnitřní mříže a součástí celku je zároveň protitříštivá vložka, takže jde vlastně o kompozit s využitím nanokeramiky. Němci tak docílili pancíře o 40% lehčího než ocel a standardizují ho na pláty skýtající ochranu Level 3 v NATO standardu STANAG 4569. Ve všech popisech však zdůrazňují, že nejlepšího efektu se docílí kombinováním s jinými principy pancíře a s aktivní ochranou, čímž si vlastně sami připravují živnou půdu pro svoje aktivní produkty a také pro průhledný AMAP-T.

Materiály budoucnosti

Podobnou ochranu již dlouho používají tanky Leopard 2 (Mexas) a nejnovější švédská a francouzská těžká vozidla. Britové raději experimentují s novými technologiemi ochrany, než jednou nejspíše nakoupí ty německé. S průhledným pancířem experimentují Izraelci a Francouzi. Pro zdařilejší pokusy snad vypadá lépe nová, syntetická forma uhlíku, který je nanometricky poskládán do různě tvarovaných mříží, např kulová, eliptická, válcová (ony nanotrubičky z uhlíku). Nadějný je také disulfid wolframu, který zase má být levný na výrobu. Zajímavý je disulfid titanu, který je ještě 4x lehčí a vyniká odolností proti výbuchům a teplotám. Existují prý ještě dokonalejší sloučeniny a jejich prostorové uspořádání více než 5x odolnější než ocel, které jsou zatím utajovány, protože do budoucna představují příliš velký obchodní potenciál. Hledá se už jen levná metoda, jak je vyrábět a pak to spustí. U jiných se čeká na dostatečné snížení zrnitosti částic materiálu a zde se právě využívají nanotechnologie. Myslím, že s převratnou nanosloučeninou titanu přijdou Američané, kteří si pokrok zatím nechávají pro sebe a obrní jím svá vozidla těsně před příští velkou válkou. Němci i Poláci také mají na skladě svoje pokroky s nitridem křemíku Si3N4 a submikro-částicovým oxidem hlinitým Al2O3 Teď experimentují už jen na tom, kolik a jakých additiv mají do mikrostruktury přidat, jak se to projeví v odolnosti nebo zda nabízet látku čistou. Kolem zrnitosti, teplot a tlaků při výrobě, je to věda sama pro sebe, viz poslední zdroj.