방탄에 사용되는 알루미나 세라믹 편집부(외신) 고-알루미나와 알루미나-지르코니아 세라믹이 개인 방호 재료 및 차량용 방탄 재료로써 성공적으로 사용되어 왔다. 방탄을 위한 구조 세라믹의 사용은 상대적으로 새로운 적용분야라고 할 수 있다. 세라믹 방호구는 원래 1960년대 미국에서 방탄 조끼와 헬리콥터의 좌석 방호를 위해 개발되었다. 세라믹 방호구에 대해 주로 요구되어 지는 특성은 작은 장갑을 뚫는 발사체를 정시하는 것이고 동등한 금속 방호구에 비해 가벼운 무게를 가져야 한다는 것이다. 현재에도 세라믹 방호구에 대한 개발이 계속되고 있다. 세라믹 방호구는 주로 개인용과 군대의 방탄 차량 및 경찰의 전술 팀에 대해 항공기나 헬리콥터의 치명적인 부분에 대한 보호와 지뢰에 의한 폭발에 대한 보호로 사용되어 진다. 세라믹과 금속의 방호구에 대한 방탄의 메커니즘은 매우 다르다. 금속은 성형 변형의 메커니즘에 의해 발사체의 운동에너지를 흡수하는 반면 세라믹은 파쇄에너지의 메커니즘에 발사체의 운동에너지를 흡수한다. 일반적으로, 세라믹 방호구 체계는 탄도성 나일론으로 쌓인 단일 결정의 세라믹이나 세라믹-금속 혼합물과, 이에 결합되어 있는 Kevlar, Spectra 또는 유리섬유와 같은 고 인장 강도를 가지는 섬유질 내피로 구성되어 있다. 일부의 경금속(알루미늄 박판과 같은)은 차량용 방탄에 사용되는 뒤 붙임으로 사용되어 질 수 있다. 탄환(700~800m/sec이상의 속도)의 충격에 의해, 단단한 표면을 가지는 세라믹은 금이 가고 깨지며, 잔류 에너지는 부드럽고, 강화된 뒤 붙임 재료에 의해 흡수된다. 이 뒤 붙임 재료는 또한 탄환에 의해 발생되는 세라믹의 사전 충격 균열 및 탄환 자체에 의한 충격에도 지탱할 수 있어야 한다. 방탄 시스템에 대한 고려는 몇 가지 요소에 대해 중점을 두어야 한다 ; 탄도성 물체의 형태 ; 방호구 시스템 제조자의 능력 ; 방호구 시스템 구성요소의 특성. 이러한 요소들은 탄도성 물체의 수준, 다중 타격 성능, 환경 조건, 공간 조건, 제조 의욕, 비용 및 무게 제한, 표면 재료 및 뒤 붙임 재료의 특성, 시스템의 전체적 탄성 특성. 방탄에 사용된 경 세라믹에는 두 가지 형태가 있는데, 단결정 구조 세라믹과 세라믹-기질 혼합물이다. 단결정 형태의 재료는 산화 세라믹(대부분 알루미나 세라믹)과 비산화 세라믹(실리콘 카바이드, 보론 카바이드, 실리콘 니트라이드, 티타늄 다이보라이드), 이원계 세라믹(B4C-TiB2 기초 세라믹)을 포함한다. 방호구 세라믹의 일반적 특성은 문헌에 묘사되어 있다. 산화 세라믹, 특히 알루미나 세라믹은 방호구 용도에 적합한 높은 수준의 물리적 특성을 가진다. 알루미나 세라믹은 저 비용으로 여러 다양한 방법, 예를 들어 슬립 주조, 압출, 사출 셩형을 사용하여 제조될 수 있고, 또한 특수 보호 환경에서의 가마와 같은 값비싼 장비의 사용이 필요하지 않다. 향상된 밀도(3.95g/cm3)에도 불구하고, 알루미나 세라믹은 방탄에 사용되어질 수 있다. 일반적으로 방탄에 사용된 비산화 세라믹은 높은 물리적 특성을 가지고, 알루미나 세라믹 보다 일반적으로 더 이점을 가지는 비교적 낮은 밀도(티타늄-디보라이드 기초 세라믹 제외)를 가진다. 그러나 이러한 세라믹은 비교적 고가이고 생산성이 낮은 열간성형법을 사용하여 제조한다. 그럼에도 불구하고 열간성형법은 높은 기계적 특성을 제공한다. 열간 성형된 알루미나 세라믹의 기계적 특성은 비산화 세라믹의 특성과 견줄만 하다. 세라믹-기질 혼합물은 높은 기계적 특성, 특히 파열 인성을 가지기 때문에 높은 탄도의 특성을 가진다. 세라믹-기질 혼합물은 단결정 세라믹과 비교할 때 탄도의 충격 후에 더 좋은 보존을 나타낸다. 다음의 세라믹-기질 혼합물들이 방호구의 재료로 언급되어지고 있다 ; 위스커 또는 섬유(Al2O3/SiC(ω), Al2O3/SiC(f) 또는 Al2O3/C(f))로 강화된 세라믹 ; 세라믹/미립자 기초 혼합물 (TiB2/B4C(ρ) 또는 TiB2/SiC(ρ)) ; 그리고 도성합금 (알루미늄이 침투된 실리콘 카바이드에 기초를 둔 Lanxide 혼합물, Ni/TiC 와 Al/B4C(ρ)). 이러한 재료의 대부분은 열간 압연되어지고 그러므로 고가이다. 비록 Lanxide SiC/Al 혼합물과 같은 금속이 침투된 혼합물들은 열간 압연되지는 않지만, 특별한 과정과 장비가 요구되어 지고 비교적 그 과정과 장비가 고가이다. 이 논문에서는, Ceramic Protection Corp에 의해 상업적으로 생산되고 있는 고-알루미나와 알루미나-지르코니아 세라믹에 대하여 연구하였다. 이러한 세라믹은 높은 수준의 기계적 특성을 가지고 비교적 저 지용으로 생산되어 진다. 여러 가지 방호구 제품들이 이 세라믹으로 생산되고 있고, 수백 가지의 판형과 수천 가지의 타일이 매일 제조되고 있다. 이서한 방호구 제품은 특정한 수요자의 요청에 의해 제조되어진다. 이 세라믹들은 세라믹 자체의 제품으로 또는 뒤붙임 재료로 얻어지고, 이러한 세라믹 제품들은 개인 또는 차량용 방탄에 성공적으로 사용되고 있다. 사용된 재료 방호구 알루미나 세라믹은 96, 97, 98, 98.5, 99.6wt%의 함량을 가지는 Al2O3, SiO2-CaO-MgO와 Al2O3, Al2O3-MgO의 시스템에 기초를 두고 있다. 알루미나-지르코니아 세라믹은 Al2O3과 ZrO2(Y2O3이 안정제로 사용되었다.) 사이에 특별히 선택되어진 비율을 기초로 두고 있다. 주요 원재료로써, Pechiney-Altech(France)와 Alcoa World Chemical(U.S.)에서 상업적으로 생산된 알루미나 분말이 사용되었다. 이런 알루미나 분말은 고 순도(최소 99.8wt%의 Al2O3)을 가진다. ; 알루미나의 등급에 따라 α-형의 함량이 95wt% 또는 그 이상이다. 각각의 알루미나의 형태의 화학적 조성 및 특성은 일관된 범위 안에서 특성화 된다. 알루미나의 평균 중앙 입자 크기와 결정 크기는 각각 0.35~0.45㎛와 1.1~1.4㎛이다. BET 비표면적은 각각 8~11m2/g와 2.8~3.3m2/g이다. 알루미나-지르코니아 세라믹의 경우에는, Tosoh corp.(Japan)에서 상업적으로 생산되어진 지르코니아 분말이 원료물질로 사용되었다. 산화이트륨이 부분적으로 안정화된 지르코니아 분말은 중앙의 입자크기와 결정크가가 0.3~0.4㎛이고, BET 비표면적이 8~9m2/g이다. 세라믹의 1회분의 구성요소와 화학적 구성요소 및 사용된 알루미나와 지르코니아의 등급은 최적의 입자크기 분포와 충진, 과정의 형태(슬립주조 또는 압출)에 의해 최적의 제조 능률, 그리고 최적의 액상 소결 및 자기화를 얻기 위해 선택되어 져왔다. 제조과정 생산에 사용된 제조 방법은 제조되어질 세라믹의 제품의 모양과 수량에 따라 슬립 주조와 건식 압축과정을 포함한다. 실험적으로 실험실 규모의 생산 연구에서 다음과 같은 최적의 제조 단계가 나타났다. ※분산제 및 결합제 시스템의 개발을 포함한, 배치 구성성분에 따른 세라믹 슬립 제조. ※비교적 오랜 제조 수명 주기를 가지고 요구되는 주형 모양을 제공하는 석고주형 제조과정 (석고; 수분 함량, 온도, 석고-물 현탁액의 혼합 및 침액 시간, 주조시간 등) ※수요자의 설계에 의한 모양과 치수를 가지는 단상, 이중, 삼중 곡선 플레이트의 제조를 가능하게 하는 슬립주조 과정. ※분말의 수율을 96%까지 높이고 압축 분말 재조 및 크기 조정이 가능한 구성 입자를 제공하는 분무-건식 과정. ※단축-압축 과정 ※최적의 가열 곡선과 제품의 모양과 크기에 따라 가마에의 적재 조절을 포함한 건조 및 가열 과정 ※점착제의 제조, Kevlar, 유리섬유, 나일론의 제조와 온도, 압력, 진공이 적용된 오토클레이브에서의 뒤붙임 재료와 접착제가 붙여진 세라믹의 열처리를 포함한 세라믹과 뒤붙임 재료의 결합과정. ※각각의 제조 과정에 전체적인 품질 조절과 조정을 가능하게 하는 품질 조절 시스템. 원 재료가 수분에 기초를 분 슬러리를 얻기 위해 분쇄기 안에서 혼합되어 지고 가공되어진다. 최초의 세라믹 슬립은 77~81wt%의 건조 재료로 이루어져 있다. 슬립의 고체 함량은 제조 방법에 따라 다르다. 비록 최초의 분말의 입자크기와 비표면적이 낮고 최초의 소결에 활성화 되었다 하더라도 슬립의 제조는 최초 재료의 기계화학적 활성화를 포함한다. 활성화는 수성의 매개물을 가진 분쇄기를 사용하여 얻어지고, 그 결과 입자 표면의 결정 격자의 기계적 뒤틀림과 침입형 구성요소의 형성 및 부분적 비정질화가 나타나게 된다. 결과로써 입자 표면에 생기는 혼합물은 극도로 높은 소결 능력을 가진다. 그러나 분쇄기의 시간이 최적(구성요소에 따라 30~45분)이어야 한다. 그렇지 않으면 초과의 활성화와 입자 표면 변형이 나타나서 슬립 점도를 증가시키게 되고, 주조 시에 수축의 증가 및 미세 균열과 같은 문제점을 일으키는 원인이 된다. 최적의 구성요소와 최적의 세라믹-슬립의 제조의 결함은 저온 가열 온도(1330℃ 이하)에 비교할 때 거의 영에 가까운 기공을 얻을 수 있고 알루미나-지르코니아 조성에서 99.6wt%의 Al2O3 조성의 세라믹을 얻을 수 있다. 제조 과정의 각각의 단계는 일련의 품질 조절 과정과 동시에 일어나야 한다. 품질 조절은 원료물질의 조사에서 시작한다. 제조에 사용된 원료물질은 알루마나의 α형의 성분, 화학적 조성, 입자크기 분포, 중심 결정입자 및 비표면적 등의 특별한 요건을 만족시켜야 한다. 좁은 범위의 변수를 가지는 원료 물질의 사용은 균일하고 예측가능한 미세구조, 수축율을 가져야 한다. 그러나 원료 물질의 특성들이 다양한 경우, 슬립의 제조과정과 제조 매개변수는 성형되고 가열된 제품에서 요구되는 특성을 얻기 위해 조절될 수 있다. 세라믹의 주조시간, 수축, 치밀화와 같은 요소에 대한 조절을 가능하게 하는데 사용되는 한가지 방법은 소량의(슬립무게의 0.3wt% 이하) 특수한 중합 유기질 첨가제를 사용하는 것이다. 다양한 량의 이러한 첨가제의 사용으로 40~50%까지 주조시간을 줄일 수 있다. 첨가제의 사용은 또한 수축을 조절할 수 있게 하고 일부의 물리적 성질에 대한 조절을 가능하게 한다. 세라믹 제조에 대한 다음의 변수들이 조절되어 지고 일부는 요구되어지는 변수를 얻기 위해 개별적으로 조절되어진다. ※최초 재료의 혼합 및 가공의 절차와 기간, 특정 중량, 점성, 최초 슬립의 pH ※결합제와 가소제 구성 요소, 최초 슬립에 대한 첨가 절차, 특정 중량, 점성, 결과적으로 나타난 슬립의 pH(특히 슬립이 슬립주조 또는 스프레이 건조를 사용되었을 경우), 그리고 슬립의 주조속도(다른 생산로트의 원재료가 제조에 사용되었을 경우). ※입자화 과정 매개변수 ※입자크기 분포, 밀도, 분말 흐름 속도, 스프레이-건조된 분말의 수분함량, 분말의 압출준비(RTP) ※RTP 분말의 압축 계수 ※슬립 주조와 압출과정과 매개변수 ※성형된 제품의 치수와 무게 ※가열곡선과 최종 가열온도, 산소 함량, 공기압력 가마의 적재를 포함한 가열 매개변수 다음의 매개변수가 가열된 세라믹에 대해 실험되었다. ※가열된 전체 수축, 치수, 형태 매개변수(성형물 방호구에 대한 곡율, 구형 차량용 방후구 판, 타일) ※여러 조건의 가마에서 각각의 가열된 가마로 부터의 제품에서 같은 재료로 만들어진 증명견본에 대한 제품의 밀도와 개방 기공, ※특정한 실험 계획안을 사용하여 선택된 증명견본의 물리적 특성(Vickers 강도, 파열 인성, 음파 속도, 영율, 굽힘강도) ※실험 계획안에 일치하는 제품의 탄도 성능 실험 절차 미세 구조가 투과전자현미경과 주사전사현미경을 사용하여 연구되었다. 생산된 세라믹의 밀도, 기공도, 물 흡수도등이 아르키메데스의 원리에 기초를 둔 수액침법을 사용하여 실험 되었다. 밀도는 실제 제품(타일이나 또는 플레이트) 또는 100mm x 100mm x 8~10mm와 155mm x 200mm x 8~10mm의 실험 타일에 대하여 측정 되었다. 물 흡수율, 기공, 밀도는 파손된 실험용 타일 또는 진공 하에서 물 포화후의 실제 제품에 대하여 측정되었다. 네가지 지점의 굽힘강도는 ASTM C1161(“Standard Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature” American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pa)에 의하여 실험하였다. 실험 견본(4.5mm x 3mm x 4mm)은 언급된 판의 평편한 타일에서 잘랐다. 영율과 음파속도는 ASTM C769(“Standard Test Method for sonic Velocity in Manufactured Carbon and Graphite Materials for Use in Obtaining an Approximate Young’s Modulus”)에 의하여 경도의 초음파 속도를 측정하는 초음파 기술과 ASTM C885(“Standard Test Method for Young’s Modulus of Refractory Shapes by Sonic Resonance”)에 의한 공명 주파수 방법을 사용하여 측정하였다. 다음의 공식으로 영율을 계산하였다. E = V12Δ(1+p)(1-2p)/(1-p) V1은 ASTM C769에 의해 측정된 경도 초음파 속도, Δ는 밀도이고 p는 Poisson 비율이다. Vickers 경도는 ASTM C1327(“Standard Test Method for Vickers Indentation Hardness of Advanced Ceramics”)에 의하여 측정되었다. 10kg의 공식화된 중량이 여러 재료에 대한 비교하에 기준으로써 사용되었으나 0.3~50kg의 중량이 하중의 영향 연구에 사용되었다. Vickers 경도의 값은 다음의 공식을 사용하여 계산되었다. Hv = 1.8544P/d2 P는 하중(킬로그램), d는 전자현미경을 사용하여 측정된 톱니의 두 가지 대각선의 평균(밀리미터), 파괴인성은 10kg의 하중 하에서 톱니 기술을 사용하여 측정하였고 다음의 공식을 사용하여 계산되었다. K1c = 0.941Pc-3/2 P는 실험 하중(뉴턴 하중), c는 전자현미경에 의해 측정된 균열길이(미터)이다. 경도와 파괴인성 실험에 사용된 견본은 실험타일(100mm x 100mm x 8mm)또는 실제 방호구 제품에서 얻었고, 그리고 특별히 개발된 과정에 의해 가공되고 마무리 되었다. 탄도 특성은 KAR98K, M16, AK47과 일부 다른 무기들(caliber0.30) NIJ 0101.03과 NIJ0101.04기준에 의해 실험되었다. 적용분야와 요구되어지는 방탄의 수준에 따라, 7.62mm x 51mm 탄환, 납 심을 가지는 NATO 금속 방탄 조끼(FMJ), 텅스테 카바이트 심을 가지는 7.62mm x 6.3mm 방호구-침투 (AP) M2 FMJ, 강철 심을 가지는 7.62mm x 39mm 러시아 볼 FMJ과 다른 제품에 적용되었다. 탄환, 탄알 무게, threh, 에너지에 의해 다르고, 예를 들어, 언급된 발사체의 탄알 무게, 속도, 운동에너지는 각각 9.65, 10.7이고 8g, 830~870, 820~850 그리고 710~750m/sec, 3.5, 3.7 그리고 2.0kJ이다. 발사 시 탄알의 속도는 크로노그래피를 사용하여 조절하였다. 발사 후의 충격은 Roma Plastilina 견본 점토를 사용하여 측정하였다. 점토의 충격은 인간에게 예상되어지는 충격의 두 배이다. 세라믹 파쇄를 포함하여 세라믹이 손상된 부분과 탄알이 관찰되었고, 사용된 접착 방법 뿐만 아니라 접착제의 종류를 포함해서 뒤붙임 재료의 층의 수와 종류가 방탄의 특성에 강한 영향을 끼친다. 그러므로 일반적 생산에 사용되는 같은 접착 과정이 실험견본에 대하여도 이용되었다. 그러나 적용분야와 요구되어지는 특성 및 방탄의 수준에 따라, 특정 방탄 시스템이 설계되고 실험되어진다. 탄도 실험에 사용되는 세라믹을 고려할 때, 7~15mm의 두께를 가진 평편한 타일(100mm x 100mm 또는 더 큰)이 일발 실험으로 사용된다. 타일(50mm x 50mm)은 플래트 패널로 사용되고, 또한 평편한 타일(155mm x 200mm x 8~9mm)과 여러 형상의 실제 플래이트가 다중 충격 탄도 실험 (충격간의 공간이 50mm)에 사용된다. 개인용과 차량용 방탄을 위한 알루미나 세라믹(AL98)의 방호구 플레이트 및 타일 차량용 방탄에 사용되는 알루미나 세라믹(AL98.5) 방호용 타일 AL98.5 세라믹의 미세구조