A lövedékek és robbanóanyagok hatóerejének növekedése, illetve a környezeti feltételek változása megköveteli a védelmi anyagok hatékonyságának folyamatos fejlesztését. Emellett a súlycsökkentési lehetőségek szintén kiemelt szerepet kapnak mind logisztika, a mobilitás vagy a manőverezhetőség szempontjából is. A nagy hatékonyságú ballisztikus védelmi rendszerek jellemzően különböző anyagok rétegelt rendjéből állnak fel, ahol minden rétegnek megvan a saját szerepe a becsapódó lövedék hatástalanításában (energiájának elnyelésében).
A cellás szerkezetű anyagok egy különleges csoportja, az alumíniumhabok ígéretes tulajdonságaiknak köszönhetően már régóta kiemelet figyelmet kapnak a tudományos közösségtől és a piaci szereplőktől egyaránt. [1]. A habosított alumínium gyártási és alkalmazási lehetőségeit már évtizedek óta vizsgálják. [2] Általánosságban elmondható, hogy különböző fém habosítási módszerekkel eltérő szerkezetű anyagok állíthatók elő, amely tovább bővíti az alkalmazási lehetőségek számát [3]. Az eddigi kutatások bizonyították, hogy a habosított alumínium anyagok számos olyan egyedi jellemzővel rendelkeznek, melyek által több speciális területen is ígéretes lehet az alkalmazásuk, így lehetséges felhasználási területei az építőipartól és dizájn alkalmazásoktól kezdve a gépiparon és autóiparon át a védelmi iparig terjednek. Mindemellett ezen új anyagtípus felhasználási lehetőségeit és elterjedését eddig szerkezetük esetleges inhomogenitásai, az ipari gyártás nehézségei és a magas gyártási költségek is korlátozták. Az Aluinvent Zrt. az elmúlt évek alatt olyan fémhabosítási eljárásokat dolgozott ki és alkalmaz, amelyek segítségével a gyártott alumínium habok különböző, adott felhasználás szempontjából releváns paraméterei beállíthatók, a szerkezeti homogenitás pedig biztosítható. Bekapcsolódva a védelmi ipari fejlesztésekbe a cég partnereivel (Paxis Ltd., Izrael) közösen olyan alumíniumhabot is tartalmazó ballisztikus- és robbanásvédelmi struktúrák fejlesztését tűzte ki célul, melyek esetében szerkezet behatással szembeni energiaelnyelési tulajdonságainak jelentős mértékű javítása várható az alkalmazott habosított fém alkalmazásával.
2. ANYAGOK
A fém mátrixú kompozit (MMC) anyagok előnyös tulajdonságaik alapján rendelkeznek önálló felhasználási területekkel is, de emellett bizonyos típusaik a fémhabosítás kiinduló anyagaiként is funkcionálhatnak. Ezek mátrix, azaz beágyazó anyaga valamilyen alumínium ötvözet, ami a folyékony fémhab stabilizálására kerámia szemcséket tartalmaz. A megolvasztott kompozit habosításának egy lehetséges módja a gázinjektálásos módszer, amelyben az olvadék fürdőbe gázt vezetnek, a kialakuló gázbuborékok az olvaédk felületére felúszva gyűlnek össze, majd a habosított olvadék megszilárdulásával áll elő a szilárd fémhab.
Fémhabok esetében a különböző fázisok előfordulása és a gyártási folyamatok érzékenysége miatt a homogén cellaszerkezet elérése mindenképpen szükséges, de nehéz feladat. Emellett különböző alkalmazások számára különböző szerkezetek és sűrűségek lehetnek megfelelőbbek, így kívánatos, hogy a gyártási folyamat jól kontrollált és beállítható legyen.
A 2012-ben Magyarországon start-up vállalkozásként megalapított Aluinvent Zrt. olyan üzemet alakított ki, amelyben különböző gyártási eljárásokat alkalmazva többféle habtípus állítható elő. A gyártási folyamat részét képezi újrahasznosított alumíniumötvözetből kiindulva fém mátrixú kompozit (MMC) anyag létrehozása, amelyet elsősorban a habosítási eljárásokban használnak fel, de egyéb speciális célokra is alkalmazható. Az Aluinvent Zrt. úttörő szerepet tölt be a fémhab gyártás területén, mivel költséghatékony gyártási eljárással, tömegesen termel, és egyedülállóan egységes mikrostruktúrával, jó mechanikai tulajdonságokkal értékesíti termékeit. Az Aluinvent alumíniumhabja jó mechanikai tulajdonságokkal, és kiváló mechanikai energiaelnyelő képességekkel rendelkezik.
A cég által alkalmazott habképző technológiák szabályos szerkezetű, a legnagyobb versenytársak termékeihez hasonló alumínium habok előállítására is alkalmasak, de ezen túlmenően a saját gyártástechnológiával képesek új típusú, továbbfejlesztett, többféle szerkezetű, de továbbra is homogén cellaméret-eloszlású fémhabokat is előállítani, így kibővülhet a lehetséges alkalmazási területek és piaci lehetőségek köre. [4] A gázbuborékok méretének és az anyagösszetételnek a módosításával a legfőbb tulajdonságok befolyásolására nyílik lehetőség, így a kívánt termékjellemzőknek megfelelően beállítható például a sűrűség és a cellaméret, ezek által pedig szabályozható az energiaelnyelő képesség, a deformitás, a szilárdság és a merevség. Ez a lehetőség egyedülálló alumínium habokat vezet be a piac számára.
3. TULAJDONSÁGOK
A szabályozott cellaszerkezettel rendelkező alumíniumhabokra teljesen új anyagként tekinthetünk. A hétköznapi alkalmazásoktól kezdve az ipari felhasználási területekig számtalan alkalmazásuk lehet, melyekben az eddig alkalmazott, kevésbé előnyös anyagokat válthatjuk ki vele, vagy pedig új anyagkombinációkat alakíthatunk ki.
Az alumíniumhabok olyan önmagukban is olyan anyagtulajdonságok egyedi kombinációit valósítják meg, mint az alacsony tömeg, a merevség és a jó csillapítási tulajdonságok, melyek megfelelő megmunkálhatósággal és alakíthatósággal párosulnak. Ez a kombináció új utakat nyit meg nem csak az építőipar és mobilitás területén hanem a védelmi és biztonságtechnikai alkalmazásokban is.
Az alumíniumhabok az alábbi – védelmi ipari felhasználás szempontjából is – kulcsfontosságú jellemzőkkel rendelkeznek [5]:
• Könnyű súlyú energia elnyelő anyag
• Az energiát folyamatos deformáción keresztül oszlatja el
• A robbanás lökéshullámát csökkenti
• Változtatható sűrűségű
• Izotróp és deformációs sebességre érzéketlen anyagtulajdonságok
• Nem éghető és magas hőmérsékleteken is stabil
• Akusztikus és elektromágneses rezgéselnyelés
• Mechanikai rezgés csökkentés
• Jó fajlagos merevségi értékek
• Úszik a vízen
• Multifunkcionalitás
4. VÉDELMI IPARI ÉS HADITECHNIKAI ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEK
A védelmi szektorban folyamatos a törekvés a páncélanyagok fejlesztésére, a kutatások jelentős része irányul erre a területre, ahogy az Aluinvent Zrt. kutatási projektjében is alumíniumhab alapú páncél anyagok fejlesztését tűzte ki célul. A nagy energiaelnyelési hatékonyságú ballisztikus védelmi hibrid anyagok általában különböző rétegekből állnak, ahol minden rétegnek megvan a maga szerepe a lövedék energiaelnyelési folyamatában. Jellemzően kemény anyagokat, kerámiákat vagy nagy szilárdságú acélokat helyeznek a lövedék ütési (behatolási) felületének síkjában, és lágyabb de erős anyagokat, például aramid szálakból szőtt szöveteket, polimer mátrix kompozitokat vagy lágy fémeket használnak hátsó támaszték struktúraként. Az ütési felület anyagának a szerepe a lövedék lassítása, és a lövedék szétaprózása erózióval, töréssel, és darabolással. A lágyabb rétegek elnyelik a maradék mozgási energiát, így a lövedék és töredékei elnyelődnek, megállnak az anyagban.
Általánosságban elmondható, hogy a könnyű súly mellett az alumíniumhabok legfontosabb alkalmazási lehetőségeit a mechanikai energiaelnyelő képesség, a szilárdsági jellemzők fajlagos értékei, a rezgés csillapítás és a multifunkcionalitás határozzák meg. Az alumíniumhabok egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy a tönkremenetele során a nagy mennyiségű energiát képes elnyelni, ezért az alumíniumhab tömbök és alumíniumhab lemezek hatékonyan alkalmazhatók olyan struktúrákban, amelyek képesek lövedékek, robbanások behatásai, repeszek és improvizált robbanóeszközök ellen megvédeni vagy azok hatását csökkenteni. A fejlesztés során célszerűen alumíniumhabból és más anyagokból, fémekből műszaki kerámiákból és nagy szilárdságú műszaki szövetekből álló rétegelt szerkezeteket hoztak létre és vizsgáltak meg. A fejlesztett struktúrák előnyei közé sorolható, hogy a habszerkezet alkalmazásával lehetőség nyílhat a jelenleg alkalmazott megoldások súlyának csökkentésére (ezzel együtt a mobilitás növelésére, járművek esetén az összteher és költségek csökkentésére is) illetve már alkalmazott szerkezetek védelmi képességének további javítására. Az alumíniumhabok és más anyagok megfelelő társításával és a szerkezeti rétegrend helyes kialakításával optimális kinetikus energia elnyelést sikerült elérni, ahol kombinálva van az anyagok ütésállósága és az alumínium habok nagy alakváltozási energiaelnyelő képessége - az alumíniumhab használata szerkezetéből adódóan a robbanás vagy a lövedék (repesz) nagymértékű kinetikus energiáját deformációs energiává tudja alakítani.
5. ÖSSZEFOGLALÁS
A könnyű, habosított alumínium anyagokban rejlő lehetőségek kulcsfontosságú tényezők lehetnek a védelmi ipar számára történő új anyagkombinációk fejlesztésében. Az ilyen ballisztikai és robbanásvédelmi panelek nem csak a személyek, illetve olyan járművek, mint az az autók, kamionok, vonatok vagy harckocsik védelmi anyagaként alkalmazhatók, hanem kiemelt jelentőségű épületek, bankok, stadionok, nagykövetségek vagy katonai állomások védelmében is jelentős szerepük lehet. Az alumínium habok önálló vagy kombinált rétegként történő alkalmazhatósága ezen túl új lehetőségeket jelent a terrorcselekmények hatásai ellen védő multifunkcionális védelmi anyagok, elektromágnesesen árnyékolt terek, valamint az érzékeny anyagok, szerkezetek, mint például robbanóanyagok, nukleáris anyagok külső behatások ellen védő csomagoló anyagainak, burkolatának továbbfejlesztésében is.
A TET_15_IL-1-2016-0018 számú projekt a Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Alapból biztosított támogatással, a TÉT_15_IL pályázati program finanszírozásában valósult meg.
Referenciák
[1] Degischer, H.P., Kriszt, B., Handbook of cellular metals, Production, Processing and Applications, Wiley-VCH/Verlag GmbH, Germany, 2002.
[2] Banhart, J., “Manufacturing routes for metallic foams”, JOM, 52(12) (2000) 22-27.
[3] Moreno, F.G., „Commercial Applications of Metal Foams: Their Properties and Production”, Materials 9 (85) (2016)
[4] Babcsan, N. et al. “ALUHAB — The Superior Aluminium Foam”. in Weiland H., Rollett A.D., Cassada W.A. (eds) ICAA13 Pittsburgh. Springer, Cham, 2012.
[5] Gokhale, A., Sahu, S.N., Kumar, N.V. Ravi, Basumatary, H., „Cellular Metals and Ceramics for Defence Applications (Review Paper)”, Article in Defence sciene journal, October 2011
