Wyniki badań nad materiałami porowatymi opracowanymi na bazie stopów tytanu opisano w czasopiśmie „Materials”. Współautorami artykułu są naukowcy z Wydziału Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa WAT. Otrzymane dane doświadczalne posłużą do opracowania jeszcze skuteczniejszej wielowarstwowej osłony balistycznej, która będzie mogła znaleźć zastosowanie m.in. w lekkich wozach bojowych.
Materiały metaliczne o kontrolowanej porowatości charakteryzują się szeregiem unikalnych właściwości fizycznych i mechanicznych. Mają one szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, m.in. wykorzystywane są jako warstwy absorpcyjne w różnego typu osłonach osłabiających skutki wybuchu, ponieważ bardzo dobrze pochłaniają one energię mechaniczną.
Wielowarstwowa osłona balistyczna
„Osłony przed pociskami przeciwpancernymi wymagają trochę innego podejścia do ich projektowania. Taka struktura ochronna składa się zazwyczaj z warstwy bardzo twardego materiału ceramicznego lub kompozytowego metalowo-ceramicznego. Musi ona zostać jednak podparta twardym podłożem, które zatrzyma odłamki, pochłonie energię uderzenia pocisku i rozłoży ją na większą powierzchnię. Chcemy opracować wielowarstwową osłonę balistyczną, która oprócz tradycyjnych materiałów, takich jak ceramika balistyczna czy stal pancerna wykorzystywałaby porowatą strukturę na bazie stopu tytanu. Taki pancerz mógłby być wykorzystywany w lekkich wozach bojowych” – mówi dr hab. inż. Jacek Janiszewski, prof. WAT z Wydziału Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa WAT.
Stosowanie samej stali pancernej łączy się z wieloma ograniczeniami. Gruby i ciężki pancerz oznacza mniejszą manewrowość, utratę zdolności do pokonywania przeszkód wodnych oraz większe zużycie paliwa, co może przekładać się na skrócenie zasięgu takiego pojazdu. Wykorzystanie struktury porowatej ze stopów tytanu pozwala pogodzić z pozoru sprzeczne cele, z jednej strony obniżenie masy całej struktury ochronnej a z drugiej jednocześnie zapewnienie wysokiej odporności na uderzenie pocisku. Po nałożeniu na porowaty materiał warstwy kompozytu metalowo-ceramicznego uzyskujemy bardzo obiecującą strukturę materiałową, którą z powodzeniem można będzie stosować w pancerzach lekkich wozów bojowych.
Materiały porowate
„Badania nad materiałami porowatymi miały bardzo praktyczny cel, gdyż w kolejnym etapie badań zamierzamy przeprowadzić testy strzelaniem w celu oceny odporności balistycznej zaproponowanej wielowarstwowej osłony ochronnej. Dotychczasowe badania miały jednak typowy charakter naukowy. Analizowaliśmy m.in. mechanizm deformacji plastycznej struktur porowatych wytworzonych różnymi metodami, jak przebiega ich pękanie, i jakie czynniki technologiczne wpływają na zdolność do pochłaniania energii udaru. Te naukowe obserwacje mogą pomóc w rozwoju różnego rodzaju lekkich pancerzy” – stwierdził naukowiec.
Celem badań była ocena energochłonności mechanicznej porowatych materiałów na bazie tytanu wytworzonych trzema różnymi metodami, z wykorzystaniem wcześniej opracowanych metod wytwórczych bazujących na metalurgii proszków, które oparto na zastosowaniu znacząco tańszego wodorku tytanu zamiast czystego tytanu.
Badane materiały porowate, które są produkowane na bazie tytanu lub stopów tytanu wyróżniają się na tle materiałów produkowanych w innych krajach niskimi kosztami produkcji przy zachowanych wysokich parametrach jakościowych. Na całym świecie prowadzi się podobne badania, ponieważ rozwój technologiczny prowadzi do powstawania coraz skuteczniejszej broni, a to wymusza tworzenie coraz doskonalszych pancerzy.
„Zespół prof. Pavlo Markovsky’ego z Ukraińskiej Akademii Nauk, z którym współpracujemy od kilku lat ma bogate doświadczenie w wytwarzaniu stopów tytanu. Ukraina posiada bogate złoża tego metalu i dlatego ukraińscy naukowcy mają dużą wiedzę na temat jego produkcji i właściwości fizyko-mechanicznych. Nasze wspólne badania potwierdzają, że zarówno czysty tytan jak i jego stopy wytwarzane w oparciu o ukraińską technologię dają wysokiej jakości materiał” – zapewnia prof. Janiszewski.
Innowacyjne techniki badawcze
W laboratorium Zakładu Technologii i Eksploatacji Uzbrojenia WAT są dwa stanowiska techniki dzielonego pręta Hopkinsona. Oprócz tego w kraju są jeszcze trzy podobne stanowiska w WAT oraz cztery w innych ośrodkach badawczych i uczelniach wyższych. To urządzenie umożliwia na przykład zasymulowanie obciążeń, jakie występują podczas kolizji dwóch samochodów, czy nawet uderzenia pocisku. W badaniach opisanych w artykule użyto jednego z ww. stanowisk Hopkinsona do sprawdzenia jak zachowuje się dana struktura porowata w sytuacji, kiedy jest obciążona udarowo, tj. falowo.
„Odpowiednia aparatura laboratoryjna to jednak nie wszystko. Z dumą chciałbym zaznaczyć, że posiadamy bardzo duże doświadczenie w obsłudze stanowiska badawczego realizującego technikę Hopkinsona. Jest to trudna technika pomiarowa, która wymaga wiedzy i wieloletniego doświadczenia, gdyż łatwo w niej o błąd i niepoprawną interpretację wyników eksperymentów. Dla zobrazowania złożoności tego badania powiem tylko, że cały eksperyment dynamiczny trwa bardzo krótko, zaledwie kilkadziesiąt mikrosekund, podczas którego muszą być wykonane wszystkie niezbędne pomiary” – mówi prof. Janiszewski.
Wyniki badań
W niniejszym badaniu porowate struktury na bazie tytanu zostały wytworzone trzema różnymi metodami metalurgii proszków przy użyciu proszku wodorku tytanu. Spośród rozważanych metod wytwarzania materiałów porowatych najbardziej obiecujące jest zastosowanie węglanu amonu jako substancji porotwórczej. Metoda ta jest dość prosta i technologicznie wygodna. Zapewnia kontrolowaną porowatość i pożądane właściwości mechaniczne. Gorsze właściwości spiekanego porowatego tytanu uzyskano stosując kryształy chlorku sodu.
„Przebadaliśmy cztery różne warianty. Jeden z testowanych materiałów porowatych okazał się trochę zbyt kruchy, ale drugi o nieco wyższej gęstości wygląda obiecująco. Wnioski z testów dynamicznych są dla nas bardzo cenne, ponieważ ułatwią nam one dalsze prace nad opracowaniem wielowarstwowej osłony balistycznej. Pierwsze wnioski już zostały wyciągnięte i planujemy testy nowych materiałów” – zapowiada naukowiec.
Nie tylko wielowarstwowa osłona balistyczna
Badania prowadzone nad materiałami porowatymi na bazie tytanu mogą być również użyteczne przy realizacji innych projektów.
„Pracujemy nad dwoma wnioskami grantowymi, które pomogłyby nam w opracowaniu rozwiązań przyczyniających się do poprawy bezpieczeństwa pracy saperów. Ukraina jest w tej chwili najbardziej zaminowanym krajem na świecie. Po zakończeniu wojny prace nad rozminowaniem olbrzymich obszarów potrwają wiele lat. Dlatego już teraz podejmujemy prace badawcze w ramach współpracy bilateralnej między ośrodkami naukowymi w UE i Ukrainie” – tłumaczy prof. Janiszewski.
Naukowcy mają w planach m.in. opracowanie specjalnych ochraniaczy na stopy oraz lekkiej tarczy, która nie tylko chroniłaby saperów przed wybuchem, ale również ostrzałem wroga, co zwiększyłoby bezpieczeństwo prac saperskich w warunkach bojowych.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Materials” pod tytułem: „Mechanical Energy Absorption Ability of Titanium-Based Porous Structures Produced by Various Powder Metallurgy Approaches”. W badaniach wzięli udział dr hab. inż. Jacek Janiszewski, prof. WAT i mgr inż. Piotr Dziewit z Instytutu Techniki Uzbrojenia WAT oraz spoza WAT: prof. Pavlo Markovsky, dr inż. Oleksandr Stasiuk, dr hab. inż. Dmytro Savvakin i dr inż. Denys Oryshych z Instytutu Fizyki Metali im. G.V. Kurdyumov Narodowej Akademii Nauk Ukrainy.
Artykuł otrzymał 140 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 3,4.
Marcin Wrzos
fot. Jacek Janiszewski