در سناریوهای میدان نبرد امروزی، سربازان به زره‌هایی نیاز دارند که حفاظت بسیار بالایی فراهم کنند، در عین حال وزن کمی داشته باشند. بر اساس مطالعه‌ای اخیر توسط تحلیلگران دفاعی در سال ۲۰۲۳، تقریباً چهار پنجم تیم‌های نیروهای ویژه به دنبال گزینه‌های زره بدنی سبک‌تر هستند که همچنان به‌طور مؤثر از گلوله جلوگیری کنند. دلیل چیست؟ مأموریت‌های واقعی اغلب به این بستگی دارند که نیروها چقدر سریع می‌توانند از منطقه عبور کنند. تجهیزات سنگین‌تر آنها را کند می‌کند، بدین معنا که زمان پاسخگویی در مواقع بحرانی طولانی‌تر خواهد شد. زرههای سبک‌تر به آنها اجازه میدهد تا چابک بمانند و بتوانند از حملات ناگهانی جان سالم به در ببرند و اهداف خود را با موفقیت به پایان برسانند.
کاربید بورون حدود ۲٫۵۲ گرم در سانتیمتر مکعب وزن دارد و بنابراین تقریباً ۱۵ درصد از آلومینیوم سبک‌تر است. زرههای ساخته‌شده با این ماده در نهایت بین ۳۰ تا ۴۰ درصد از زرههای فولادی معمولی سبک‌تر هستند. دلیل این مزیت در ساختار ماده نهفته است. اتم‌های بور و کربن پیوندهای بسیار محکمی در ساختار بلوری ایجاد می‌کنند که به این ترکیب استحکام عالی میدهد در حالی که وزن آن پایین نگه داشته میشود. هنگامی که وسایل نقلیه نظامی در شرایط بیابانی در آزمایش‌ها صفحات کاربید بورون را به کار گرفتند، بر اساس مطالعات اخیر مواد، بهبودی حدود ۲۲ درصدی در تحرک خود نسبت به سیستم‌های زرهی قدیمی‌تر مشاهده کردند.
| اموال | کاربید بورون | کربن سیلیکون | آلومینیوم اکساید |
|---|---|---|---|
| چگالی (گرم بر سانتیمتر مکعب) | 2.52 | 3.21 | 3.97 |
| سختی (GPa) | 36 | 24 | 18 |
| انحراف پرتابه | 92% | 85% | 78% |
| قابلیت تحمل چندین ضربه | 87% | 91% | 82% |
داده‌های عملکرد بالستیکی از پروتکل‌های آزمایش استاندارد ناتو (۲۰۲۳)
این مقایسه، سختی و سبکی بیشتر بورون کاربید را برجسته می‌کند که با وجود مقاومت کمی پایین‌تر در برابر چندین ضربه نسبت به سیلیکون کاربید، آن را ایده‌آل برای کاربردهای با عملکرد بالا می‌سازد.
اینکه کربید بور به‌قدری سبک است، مزایای واقعی در تحرک برای سربازان فراهم می‌کند، هرچند همیشه بین ضخامت مورد نیاز زره برای محافظت مناسب و این سبکی تعادلی وجود دارد. به عنوان مثال یک صفحه استاندارد ۱۲ میلی‌متری کربید بور را در نظر بگیرید که می‌تواند گلوله‌های نافذ ۷٫۶۲ میلی‌متری ناتو با سرعت حدود ۸۴۰ متر بر ثانیه را متوقف کند، درحالی‌که تنها حدود ۲٫۱ کیلوگرم وزن دارد. این وزن در واقع ۳۵ درصد سبک‌تر از صفحات مشابه ساخته‌شده از کربید سیلیسیوم است. آزمایشهای میدانی در محیط نظامی چیز جالب دیگری نیز نشان داده‌اند. نیروهای مسلحی که با این نوع تجهیزات تجهیز شده‌اند، تمایل دارند در جنگ‌های نزدیک در محیط شهری حدود ۱۸ درصد سریع‌تر واکنش نشان دهند. این موضوع کاملاً منطقی است، چون حمل وزن کمتر روی بدن به معنای حرکت بهتر و پاسخگویی سریع‌تر در موقعیت‌های فشرده است که هر ثانیه اهمیت دارد.
کاربید بور یکی از آن مواد فوق‌العاده سخت است که در حدود ۹٫۴۹ در مقیاس موهس قرار دارد و این ویژگی آن را از تقریباً تمام مواد سرامیکی که امروزه در زرههای بدن استفاده می‌شوند پیشی می‌گیرد. چیزی که این ماده را خاص می‌کند، نحوه عملکرد آن در شکستن گلوله‌ها هنگام برخورد است. این ماده نیروهای برشی بسیار زیادی به هر جسمی که با سرعتی بیش از حدود ۸۵۰ متر بر ثانیه حرکت کند وارد می‌کند. تحقیقات نشان می‌دهند که ساختار اتمی کاربید بور انرژی جنبشی را نیز بهتر مدیریت می‌کند و در مقابله با گلوله‌های نفوذگر سخت، حدود ۲۳ درصد مؤثرتر از کاربید سیلیسیم آن را پراکنده می‌کند. این امر به تولیدکنندگان مزیت واقعی در طراحی محافظتی میدهد که بارها در آزمایشهای بالستیک ترکیبی در آزمایشگاه‌های سراسر کشور تأیید شده است.
با مقاومت فشاری 2.8 گیگاپاسکال، کاربید بور در برخوردهایی که در عرض میلی‌ثانیه اتفاق می‌افتند و باعث تغییر شکل یا شکستن سایر سرامیک‌ها میشود، یکپارچگی ساختاری خود را حفظ می‌کند. این مقاومت به زره اجازه میدهد تا در برابر ضربات متوالی در شعاع 5 سانتی‌متری بدون خرابی مقاومت کند — که یک الزام ضروری برای گواهی‌نامه NIJ سطح IV در برابر تهدیدات نفوذگر کالیبر .30 است.
اگرچه استحکام شکست کاربید بور (2.9 مگاپاسکال‌متر) پایین‌تر از فلزات است، اما تولیدکنندگان این محدودیت را از طریق طراحی‌های مهندسی جبران می‌کنند:
این نوآوری‌ها عملکرد در برابر چندین ضربه را تا 40 درصد بهبود می‌بخشند و قابلیت اطمینان را در کاربردهای واقعی افزایش می‌دهند.
کاربید بور تهدیدات را از طریق سه مرحله مجزا بی‌خطر می‌کند:
این فرآیند هم‌افزا اجازه میدهد که یک صفحه 18 میلی‌متری کاربید بور، گلوله‌های 7.62×51mm ناتو را متوقف کند و در عین حال 35٪ سبک‌تر از زره معادل فولادی باشد.
در مورد توقف گلوله‌های پرسرعت ریفل، کاربید بورون واقعاً برجسته است، زیرا هم الزامات سطح III NIJ را برای گلوله‌های ضد زره 7.62x39mm برآورده می‌کند و هم تا استاندارد سطح IV در برابر مهمات .30-06 APM2 ارتقا می‌یابد. آزمایشهای آزمایشگاهی نشان داده‌اند که حدود ۹۵ درصد از این پرتابه‌های سطح IV به طور کامل متوقف می‌شوند و همچنین تغییر شکل عقبی چندانی نیز ایجاد نمی‌شود. این ماده را در مقایسه با جایگزین‌هایی مانند کاربید سیلیسیم چه چیزی خاص می‌کند؟ خُب، کاربید بورون همان سطح حفاظت را فراهم می‌کند اما حدود ۱۲ تا ۱۵ درصد سبک‌تر است. این تفاوت وزن زمانی که پرسنل عملیاتی باید تمام روز تجهیزات خود را حمل کنند در حالی که در برابر تهدیدات گلوله‌ای ایمن باشند، بسیار مهم است.
وقتی نیروها در مناطق با تهدیدات جدی عملیاتی می‌کنند، گزارش‌های میدانی نشان می‌دهند که زره بدن با موفقیت چندین گلوله نفوذگر را بدون اینکه کاملاً از کار بیفتد، متوقف کرده است. آزمایش‌ها نشان دادند که صفحات بورون کاربید می‌توانند هم گلوله‌های 5.56x45mm SS109 و هم گلوله‌های مخرب 7.62x54R BZ API را که با سرعتی حدود 940 متر بر ثانیه حرکت می‌کنند، متوقف کنند. مهم‌تر از همه، حدود 98 نفر از هر 100 سربازی که از این محافظ استفاده کردند، گزارش دادند که در صورت اصابت، آسیب کمتری دیده‌اند. این نوع عملکرد واقعاً نشان میدهد که چرا بورون کاربید برای سربازانی که به سرعت در شهرها حرکت می‌کنند و تهدیدات می‌تواند از هر جهت و لحظه‌ای به وجود آید، بسیار مناسب است.
کاربید بور در اولین برخورد به خوبی می‌تواند پرتابه‌ها را متوقف کند، اما آنچه پس از آن اتفاق می‌افتد نیازمند توجه جدی مهندسان است. بررسی ساختار ریزشدنی نشان میدهد: ترک‌های کوچک حدود ۳۰ تا شاید ۴۰ درصد کندتر از آلومینای اکسید به سمت بیرون گسترش می‌یابند. این موضوع در جلوگیری از شکستن و پرت شدن تکه‌های خطرناک تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. نیروهای نظامی اخیراً روی طرح‌های بهتر کاشی‌ها و لبه‌های محکم‌تر بین کاشی‌ها کار کرده‌اند. این بهبودها به این معناست که صفحات زرهی به شکل شش‌ضلعی اکنون می‌توانند سه گلوله نفوذگر را که در فاصله تقریبی ۵ سانتی‌متری از هم و در کنار یکدیگر شلیک شده‌اند، تحمل کنند. برای علم مواد در دنیای امروز، واقعاً قابل توجه است.
زرههای ساخته‌شده از بورکاربید در مقایسه با گزینه‌های سنتی فولادی، وزن کلی سیستم را حدود ۳۰٪ کاهش می‌دهند و با این حال همچنان حفاظت بهتری ارائه می‌دهند. مزایای عملی آن نیز بسیار قابل توجه است. سربازان می‌توانند تقریباً ۱۸٪ سریع‌تر حرکت کنند که در عملیات میدانی تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. علاوه بر این، پس از مأموریت‌های طولانی، حدود ۲۲٪ کمتر احساس خستگی می‌کنند که در مأموریت‌های طولانی‌مدت اهمیت زیادی دارد. حتی با پوشش کامل تنه بدن که وزنی کمتر از ۴٫۵ کیلوگرم دارد، این ماده به خوبی کار می‌کند، زیرا ترکیبی از چگالی نسبتاً پایین ۲٫۵۲ گرم بر سانتیمتر مکعب با سختی قابل توجهی در حد ۹٫۶ در مقیاس موها دارد. افراد نظامی در تمام طول روز احساس راحتی می‌کنند بدون آنکه از سطح ایمنی خود کاسته شود و این امر آن را به یک انتخاب هوشمندانه برای تجهیزات جنگی مدرن تبدیل می‌کند.
بورکاربید در پلتفرم‌های دفاعی حیاتی مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد:
| نوع سیستم | کاهش وزن | سطح حفاظت |
|---|---|---|
| زره تاکتیکی بدن | 35-40% | NIJ IV |
| زره بالگرد | 28-32% | MIL-A-6620F |
| واحدهای فرمان موبایل | 25-30% | STANAG 4569 L4 |
ظرفیت جذب نوترون آن (مقطع 380 بارن) همچنین باعث ارزشمندی آن در وسایل نقلیه مقاوم در برابر تشعشعات هستهای و زرههای دریایی میشود. آزمایشهای میدانی تجهیزات پاسخ سریع، نشاندهنده 72 درصد سرعت بیشتر در استقرار به دلیل کاهش بار مفید است که این امر باز هم پاسخگویی تاکتیکی را افزایش میدهد.
آزمایشگاه تحقیقات ارتش هنگامی که وزن زره پیاده‌نظام را از حدود ۷٫۱ کیلوگرم به تنها ۴٫۸ کیلوگرم کاهش داد، چیز جالبی کشف کرد. سربازان می‌توانستند مدت بیشتری در صحنه عمل کنند، در واقع حدوداً ۳۸ درصد طولانی‌تر. آزمایشهای آنها در سه روز چیز دیگری نیز نشان داد - اشتباهات ناشی از خستگی به شدت کاهش یافت، در کل حدود ۶۱ درصد کمتر. و دقت سربازان در هدف‌گیری تقریباً ۲۰ درصد بیشتر شد، حتی در شرایط بسیار استرس‌زا در میدان نبرد. چرا این اتفاق می‌افتد؟ خب، واضح است که وزن کمتری وجود دارد که آنها را از نظر فیزیکی خسته نکند، اما عامل بزرگ دیگری نیز وجود دارد: میزان گرمایی که در داخل تجهیزات انباشته میشود. زره جدید از بورون کاربید استفاده می‌کند که گرما را به خوبی (حدود ۱۲۰ وات بر متر کلوین، اگر کسی به این اعداد اهمیت بدهد) دفع می‌کند. این بدین معناست که سربازان در حین درگیری‌ها که دمای محیط معمولاً به شدت بالا می‌رود، حدود ۲ تا ۳ درجه سانتی‌گراد خنک‌تر باقی می‌مانند نسبت به زرههای فلزی قدیمی.
کاربید بور از نظر سختی در حدود ۳۸ تا ۴۲ گیگاپاسکال بر اساس اندازه‌گیری ویکرز، رتبه سوم را دارد، اما ضعف واقعی آن در زمینه چقرمگی شکست مشهود است که بین ۲٫۹ تا ۳٫۷ مگاپاسکال روت متر قرار دارد. این بدین معناست که مواد پس از چندین ضربه به راحتی می‌توانند دچار شکست شوند. برخی آزمایش‌ها نشان داده‌اند که صفحات معمولی کاربید بور پس از تنها سه شلیک گلوله نفوذگر استاندارد ۷٫۶۲×۳۹ میلی‌متری، حدود ۲۲ درصد از توانایی‌های محافظتی خود را از دست می‌دهند. این عملکرد برای ماده‌ای که باید یکی از مقاوم‌ترین مواد موجود باشد، چندان مناسب نیست. صنعت با افزودن لایه‌هایی از پلی‌اتیلن دارای وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE) پشت صفحات کاربید بور به این چالش پاسخ داده است. این سیستم‌های پشتیبان UHMWPE به جذب انرژی باقیمانده از ضربه کمک می‌کنند و کل مجموعه را حدود ۴۰ درصد سبک‌تر از راه‌حل‌های زرهی فولادی مشابه نگه می‌دارند.
هزینه‌های تولید بیش از ۱۵۰۰ دلار در متر مربع است — تقریباً سه برابر آلومینای اکسید — به دلیل نیازهای سینتر شدن: دمای ۲۲۰۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۲۰ مگاپاسکال که به مدت ۸ تا ۱۲ ساعت حفظ میشود. روش‌های نوظهور مانند کربید بور متصل‌شده با واکنش (RBB4C) زمان فرآوری را تا ۳۰٪ کاهش می‌دهند، هرچند محتوای ۱۲٪ سیلیسیوم فلزی حاصل، عملکرد بالستیکی را کمی کاهش میدهد.
نگرانی‌های اولیه درباره حساسیت محیطی عمدتاً با آزمون‌های میدانی رد شده‌اند:
این نتایج، مناسب‌بودن کربید بور برای استقرار جهانی در شرایط آب‌وهوایی متنوع را تأیید می‌کنند.
محققان در حال جاسازی نانوسیم‌های کاربید سیلیسیوم به اندازه 2 تا 5 نانومتر در ماتریس‌های کاربید بورون هستند که استحکام شکست را تا 4.1 تا 5.2 مگاپاسکال ریشه‌ی متر افزایش داده — بهبودی حدود 40 درصدی — بدون افزایش چگالی. یک نمونه اولیه در سال 2024 با پوشش اکسید گرافن، ظرفیت ضربه‌های چندگانه را تا 18 درصد در برابر گلوله‌های 5.56×45mm ناتو افزایش داد و پیشرفت‌های امیدوارکننده‌ای را در زرههای نسل بعدی نشان داد.
طراحی‌های پیشرفته از سختی سطحی کاربید بورون در پیکربندی‌های لایه‌ای بهره می‌برند:
| لایه | متریال | ضخامت | عملکرد |
|---|---|---|---|
| سطح ضربه‌گیر | کاربید بورون | 5-6 میلیمتر | هستهٔ پرتابه را خرد می‌کند |
| لایه میانی | کربن سیلیکون | 3-4 میلیمتر | انرژی باقیمانده را جذب می‌کند |
| پشتیبانی | Uhmwpe | ۱۵-۲۰ میلیمتر | قطعات پراکنده شده را نگه می‌دارد |
این سیستم‌های تدریجی، حفاظت سطح IV استاندارد NIJ را تنها در 4.3 کیلوگرم بر متر مربع — که 28 درصد سبک‌تر از صفحات سرامیکی یکپارچه است — فراهم می‌کنند و عملکرد بهینه‌ای را از طریق ادغام استراتژیک مواد ارائه می‌دهند.
EN
