ÇOK İŞLEVLİ ALÜMİNA-ZİRKONYA KOMPOZİT MALZEMELERİNİN ÜRETİMİ, MEKANİK ve BALİSTİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Year 2024, Volume: 5 Issue: 2, 133 - 148, 20.12.2024

Burcu Büyükdoğan Çavdar , Gözde Çelebi Efe

https://doi.org/10.58769/joinssr.1518309

Abstract

Bu çalışmada Alümina (Al2O3), Zirkonya (ZrO2) malzemelerinin karışımından çeşitli kombinasyon ve sıralarda zırh malzemeleri üretilmiştir. Karşılaştırma yapabilmek amacıyla sadece saf alüminadan, sadece saf zirkonyadan, iki tozu aynı oranda homojen harmanlayarak ve yine iki tozu katmanlı olacak şekilde 4 ayrı numuneler üretilmiştir. 500 MPa’lık basınç altında preslenen numuneler 1630oC’de açık atmosfer fırınınında kademeli olarak yaklaşık 30,3 saat sinterlenmiştir. Numunelerin sinter sonrası boyutsal değişimlerinin ende %3,89, boyda %3,73 olduğu değerlendirilmiştir. Ürünlerin yoğunluklarının teknik spekt değerleri arasında olduğu bulunmuştur. Ürünlerin mikroyapı ve SEM analizlerinden bileşenlerin homojen olarak dağıldığı görülmektedir. Hakim fazlar XRD analizi ile belirlenmiştir. Kopma mukavemeti en yüksek olan konfigürasyon-1, en düşük olan ise konfigürasyon-2’dir. Mekanik özellik olarak güçlü olan konfigürasyon-1’in kırılma tokluğu ortalama 4,04 MPam1/2, konfigürasyon-2’nin 6,19 MPam1/2, konfigürasyon-3’ün 5,73 MPam1/2 ve konfigürasyon-4’ün 5,42 MPam1/2’dir. İlave edilen ZTA’nın ürünlerde sertlik açısından düşüşe yol açarken tokluk artışı sağladığı görülmektedir. Balistik sonuçları incelediğimiz zaman atış yapılırken hızlı kamera kaydı alınmış ve izlenmiştir. Seramiklerden beklenti mühimmatın seramikle buluştuğu an çekirdeği minimum oranda kırmasıdır. Yapılan çalışmaların tümü değerlendirildiği zaman ZTA ilavesinin yapılması sertlik bakımından konfigürasyonlarda kayda değer bir artış yapmamıştır. Fakat tokluk ve kopma değerlerinde istenilen artışın sağladığı görülmüştür. Seramiklerin kullanım alanlarına ve amaçlarına göre ZTA miktarının azaltılıp artılırması sağlanıp, hangi amaçla kullanılacaksa buna göre kompozisyonun değiştirilebileceği değerlendirilmektedir. Eğer seramikler mühimmata karşı kullanılacak ise farklı tabakalarda oluşturulup kullanımının uygun olacağı düşünülmektedir. Elde edilen sonuçlar ve yorumlamaların ileride bu konuda yapılacak çalışmalara ışık tutacağı düşünülmektedir.

Keywords

Alümina seramikler, Toz metalurjisi, Zırh teknolojileri, Balistik test

PRODUCTION OF MULTIFUNCTIONAL ALUMINA- ZIRCONIA COMPOSITE MATERIALS, INVESTIGATION OF THEIR MECHANICAL AND BALLISTIC PROPERTIES

Abstract

In this study, armor materials from the mixture of Alumina (Al2O3), Zirconia (ZrO2) in various combinations and orders were produced. In order to make a comparison, 4 separate samples from only pure alumina, pure zirconia, homogeneously blending of the two powders at the same rate and with two powders layered were produced. Pressed under 500 MPa pressure, the specimens were gradually sintered in an open atmospheric furnace at 1630°C for approximately 30.3 hours. The dimensional changes of the samples after sintering were evaluated to be 3.89% in width and 3.73% in length. The densities of the products were found to be between the technical specification values. Microstructure and SEM analysis of the products show that the components are homogeneously distributed. Dominant phases were determined by XRD analysis. Configuration-1 has the highest tensile strength and configuration-2 has the lowest. The average fracture toughness of configuration-1, which is strong in mechanical properties, is 4.04 Mpam1/2, configuration-2 is 6.19 MPam1/2, configuration-3 is 5.73 MPam1/2 and configuration-4 is 5.42 MPam1/2. It is seen that the added ZTA leads to a decrease in the hardness of the products while increasing the toughness. When we examine the ballistic results, rapid camera recording was taken and monitored during the firing. The expectation from ceramics is that the ammunition should break the core at a minimum rate when it meets the ceramic. When all the studies were evaluated, the addition of ZTA did not cause a significant increase in hardness in the configurations. However, it was observed that the desired increase in toughness and rupture values was achieved. It is evaluated that the amount of ZTA can be reduced or increased according to the usage areas and purposes of the ceramics and the composition can be changed according to the purpose for which it will be used. If the ceramics are to be used against ammunition, it is thought that it would be appropriate to use them in different layers. It is thought that the results and interpretations obtained will shed light on future studies on this subject.

Keywords

Alumina ceramics, Powder metallurgy, Armor technologies, Ballistic testing

References

• [1] C. Cong, W. Zhu, J. Liu, and X. Wei, “A review on the analytical and numerical models for ballistic limit of fiber-reinforced composites,” Compos. Struct., vol. 345, no. April, p. 118392, 2024, doi: 10.1016/j.compstruct.2024.118392.
• [2] H. S. I. Uygur, “Alüminyum Esaslı Metal Matris Kompozit Malzemelerin Mekanik Özellikleri,” Sak. Üniversitesi Fen Bilim. Enstitüsü Derg., vol. 1, no. Mart, pp. 167–174, 2004.
• [3] Kamil Özdin, “Alüminyum Esaslı SiC Takviyeli Kompozitlerin Üretimi ve Aşınma Özelliklerinin Araştırılması,” Gazi Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006.
• [4] K. Akella, Handbook of Advanced Ceramics and Composites, no. June. 2020. doi: 10.1007/978-3-319-73255-8.
• [5] P. K. Jena, K. Ramanjeneyulu, K. Siva Kumar, and T. Balakrishna Bhat, “Ballistic studies on layered structures,” Mater. Des., vol. 30, no. 6, pp. 1922–1929, 2009, doi: 10.1016/j.matdes.2008.09.008.
• [6] M. E. Backman and W. Goldsmith, “The mechanics of penetration of projectiles into targets,” Int. J. Eng. Sci., vol. 16, no. 1, pp. 1–99, 1978, doi: 10.1016/0020-7225(78)90002-2.
• [7] S. Yin, Y. Fujishiro, S. Uchida, and T. Sato, “Characterization of ceria and yttria co-doped zirconia/alumina composites crystallized in supercritical methanol,” J. Supercrit. Fluids, vol. 13, no. 1–3, pp. 363–368, 1998, doi: 10.1016/S0896-8446(98)00073-4.
• [8] D. Jayaseelan, D., Nishikawa, T., Awaji, H., Gnanam, F., “Pressurless sintering of sol-gel derived alumina-zirconia composites,” Mater. Sci. Eng., vol. 256, pp. 265–270, 1998.
• [9] M. Ipek, S. Zeytin, and C. Bindal, “An evaluation of Al2O3-ZrO2 composites produced by coprecipitation method,” J. Alloys Compd., vol. 509, no. 2, pp. 486–489, 2011, doi: 10.1016/j.jallcom.2010.09.073.
• [10] A. Tasdemirci, G. Tunusoglu, and M. Güden, “The effect of the interlayer on the ballistic performance of ceramic/composite armors: Experimental and numerical study,” Int. J. Impact Eng., vol. 44, pp. 1–9, 2012, doi: 10.1016/j.ijimpeng.2011.12.005.
• [11] C. Y. Huang and Y. L. Chen, “Design and impact resistant analysis of functionally graded Al2O3-ZrO2 ceramic composite,” Mater. Des., vol. 91, pp. 294–305, 2016, doi: 10.1016/j.matdes.2015.11.091.
• [12] E. S. C. Chin, “Army focused research team on functionally graded armor composites,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 259 A259, no. 2, pp. 155–161, 1999, doi: 10.1016/s0921-5093(98)00883-1.
• [13] M. Übeyli, R. O. Yildirim, and B. Ögel, “On the drop-weight testing of alumina/aluminum laminated composites,”Sadhana - Acad. Proc. Eng. Sci., vol. 30, no. 5, pp. 673–686, 2005, doi: 10.1007/BF02703514.
• [14] S. S. Asemani, G. Liaghat, H. Ahmadi, Y. Anani, A. Khodadadi, and S. C. Charandabi, “The experimental and numerical analysis of the ballistic performance of elastomer matrix Kevlar composites,” Polym. Test., vol. 102, p. 107311, Oct. 2021, doi: 10.1016/J.POLYMERTESTING.2021.107311.
• [15] Y. Chu et al., “Experimental Study on the Ballistic Performance of CFRP/AFB Sandwich Plate,” J. Mater. Res. Technol., Sep. 2024, doi: 10.1016/J.JMRT.2024.09.163.
• [16] P. Liu, Y. Liu, Z. Wang, J. Chen, H. Zhang, and G. Huang, “A design model of multi-layer modified aramid fabrics against fragment simulating projectiles and full metal jacketed bullets,” Int. J. Impact Eng., vol. 191, p. 104989, Sep. 2024, doi: 10.1016/J.IJIMPENG.2024.104989.
• [17] M. V. Silva, D. Stainer, H. A. Al-Qureshi, O. R. K. Montedo, and D. Hotza, “Alumina-Based Ceramics for Armor Application: Mechanical Characterization and Ballistic Testing,” J. Ceram., vol. 2014, pp. 1–6, 2014, doi: 10.1155/2014/618154.
• [18] S M Walley, “Historical review of high strain rate and shock properties of ceramics relevant to their application in armour,” Adv. Appl. Ceram., vol. 109, no. 8, pp. 446–466, 2010.
• [19] M. A. Akdoğan and O. S. Türkbaş, “Ballistic behavior of alumina ceramic faced and polyethylene reinforced armor material: Experimental analysis,” J. Fac. Eng. Archit. Gazi Univ., vol. 39, no. 4, pp. 2091–2102, 2024, doi: 10.17341/gazimmfd.1252226.