Examining The Ballistic Properties of the B4C and Al2O3 Ceramic Plates

Year 2022, Volume: 25 Issue: 3, 991 - 996, 01.10.2022

Serap (güngör) Koc

https://doi.org/10.2339/politeknik.801714

Abstract

Boron carbide (B4C) and alumina ceramic (Al2O3) plate, known as the hardest materials are of a great scientific interest for years due to a unique combination of different useful properties. In this study, the microstructure, mechanical and ballistic properties of boron carbide (B4C) and alumina (Al2O3) ceramic plates used for ballistic protection are examined and the results are compared with similar studies in the literature. B4C and Al2O3 samples content shows a homogeneous distribution and their density is measured as 2.52 g/cm3 and 3.85 g/cm3, respectively. B4C and Al2O3 exhibit brittle fracture and constitute linear deformation at low stresses. Elastic properties change according to the carbon content in boron carbide structure. B4C and Al2O3 plates have trauma depths of 28.8 mm and 34.4 mm (872 m / sec on boron carbide plate, 884 m / sec, 7.62x51 mm M2 AP bullet on alumina plate and) on ballistic tests. It provides full protection within the framework of NIJ-STD-0101.07 standard. Due to the high hardness of B4C, the expectation that it will exhibit better ballistic properties compared to Al2O3 is not possible because the material is excessively brittle.

Keywords

Boron carbide, alumina, balistic standards, ceramics, armor

B4C ve Al2O3 Seramik Plakaların Mekanik ve Balistik Özelliklerinin İncelenmesi

Abstract

Bilinen en sert malzemelerden olan bor karbür (B4C) ve alümina seramik (Al2O3) plakaların eşsiz özelliklerinden dolayı dikkatleri çekmektedir. Bu çalışmada balistik koruma amaçlı kullanılan bor karbür (B4C) ve alümina (Al2O3) seramik plakaların iç yapı, mekanik ve balistik özellikleri incelenmiş ve literatürde yapılmış olunan benzer çalışmalarla sonuçları karşılaştırılmıştır. B4C ve Al2O3 içeriği homojen bir dağılım göstermekte olup sırası ile yoğunlukları 2.52 g/cm3 ve 3.85 g/cm3 olarak ölçülmüştür. B4C ve Al2O3 numuneleri gevrek kırılma özelliği sergilemekte ve düşük gerilimlerde lineer deformasyon oluşturmaktadır. Elastik özellikler bor karbür içeriğindeki karbon oranına göre değişmektedir. Bor karbür plakanın elastisite modülü 440 GPa olarak elde edilmiştir. B4C ve Al2O3 plakalar, askeri standartlara uygun olarak yapılan balistik testlerde IV. seviye tehditlere (hızı bor karbür plakasında 878 m/sn, alümina plakasında 884 m/sn olan 7.62x51 mm M2 AP mermide) karşı travma derinlikleri 28.8 mm ve 34.4 mm olmak üzere NIJ-STD-0101.07 standardı çerçevesinde tam koruma sağlamaktadır. B4C’nin yüksek sertliği nedeniyle Al2O3’e nazaran daha iyi balistik özellik göstereceği beklentisi, malzemenin aşırı gevrek olması nedeniyle mümkün olmamaktadır.

Keywords

Bor karbür, alümina, balistik standartlar, seramikler, zırh

References

• [1] Thévenot, F., ‘Boron carbide-A comprehensive review’, Journal of the European Ceramic Society, 87, (1990).
• [2] Hermann M., Sigalas I., Thiele M., Mueller M., Kleebe H.J., Michaelis A., ‘Boron suboxide ultrahard materials’, International Journal of Refractory Metals Hard Materials, 39: 53-60, (2013).
• [3] Caretti I., Gago R., Albella J.M., Jimenez I., ‘Boron carbides formed by coevaporation of B and C atoms. vapor reactivity, BxC1-x composition, and bonding structure’, Physical Review B, 77: 174109, (2008).
• [4] Kakiage M., Tominaga Y., Yanase I., Kobayashi H., ‘Synthesis of boron carbide powder in relation to composition and structural homogeneity of precursor using condensed boric acid-polyol product’, Powder Technologies, 221: 257-263 (2012).
• [5] Suri A., Subramanian C., Sonber J., Murthy T., ‘Synthesis and consolidation of boron carbide: a review, International Materials Review, 55: 4-40 (2012).
• [6] Werheit H., Leithe-Jasper A., Tanaka T., Rotter H.W., Schwetz K.A., ‘Some properties of single-crystal boron carbide, Journal of Solid State Chemistry, 177: 575-579 (2004).
• [7] Mori T., ‘ Thermoelectric and magnetic properties of rare earth borides: boron cluster and layered compounds, Journal of Solid State Chemistry, 275: 70-82 (2019).
• [8] Lee W.E., Rainforth M., ‘Ceramic Microstructures’, Cambridge University, London, 225, (1994).
• [9] Mostaghaci H., Advanced Ceramic Materials (Key Engineering Materials), U.S.A., 220, (1996).
• [10] NIJ-STD-0101.07, Ballistic Resistance of Personal Body Armor, 74, (2018).
• [11] Baric P., Dulal C.J., Thiyagarajan N., ‘Effect of particle size on the mechanical of reaction bonded boron carbide ceramics’. Ceramics International, 39: (763-770), (2013).
• [12] Torralba JM., da Costa CE., Velasco F., ‘P/M Aluminum Matrix Composites: An Overview’, Journal of Materials Processing Technology, 133: (203–206), (2003).
• [13] Tekmen, Ç., ‘Metal Matriksli Kompozitlerin SıkıştırmalıDöküm Yöntemi ile Üretimi’. Dokuz Eylül Üniversitesi, FenBilimleri Enstitüsü, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Doktora Tezi, İzmir, 122s, (2006).
• [14] Ozturk Y., ‘Alumina ve bor karbür esaslı mühendislik seramiklerin balistik özelliklerinin incelenmesi’. İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul, 53s, (2008).
• [15] Yurkov A.L., Skidan B.S., Ponomarev A.B., ‘Reaction between boron carbide and silicon’, Ogneupory, 2: (31-33), (1987).
• [16] Chen Z.F., Su Y.B., Cheng Y.B., ‘Formation and sintering mechanisms of reaction bonded silicon carbide-boron carbide composites’, Key Engineering Materials, 352: (207-212), (2007).
• [17] Levin I., Brandon D., ‘Metastable alumina polymorphs: crystal structures and transition sequences’, Journal of The American Ceramic Society, 81: (1995–2012), (1998).
• [18] Zhang C., Ru H., Zong H., Sun W., Zhu J.,Wang W., Yue X. ‘ Corasening of boron carbide grains during the infiltration of porous boron carbide preforms by molten silicon’, Ceramic International, 42: (18681-18691), (2016).
• [19] Han JH., Chung YK., Kim DY., Cho SH., Yoon DN., ‘Temperature dependence of the shape of ZnO grains in liquid matrix’, Acta Metal, 37: (2705-2708), (1989).
• [20] Sarıdede N, Birol M ‘Özel Alüminalar-1, Kalsine Alüminalar’ Metalurji, (25-30), (2005).
• [21] Değerli S., “Bayer Prosesinin Ara Atık Ürünü Olan Alüminyum Hidroksit Kabuğundan Aktif Alümina Eldesi”, Y. Lisans Tezi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Anabilim Dalı, YTÜ, İstanbul, (2002).
• [22] Hart L., “Alumina Chemicals: Science and Technology Handbook”, Westerville, Ohio, American Ceramic Society, (1990).
• [23] Sarıdede N, Birol M ‘Özel Alüminalar-2, Alüminyum Hidroksit ve Aktif Alüminalar’ Metalurji, ( 15-20), (2006).