ในสถานการณ์สนามรบในปัจจุบัน ทหารต้องการเกราะที่ให้การป้องกันระดับสูงสุด แต่ยังคงมีน้ำหนักเบา ตามรายงานการศึกษาเมื่อปี 2023 โดยนักวิเคราะห์ด้านการป้องกันประเทศ พบว่าเกือบแปดในสิบของหน่วยปฏิบัติการพิเศษกำลังมองหาเกราะกันกระสุนที่เบากว่าเดิม แต่ยังคงสามารถหยุดกระสุนได้อย่างมีประสิทธิภาพ สาเหตุคือภารกิจจริงมักขึ้นอยู่กับความเร็วที่ทหารสามารถเคลื่อนที่ผ่านภูมิประเทศได้ เครื่องแบบที่หนักจะทำให้เคลื่อนที่ช้าลง ซึ่งหมายถึงเวลาตอบสนองที่ช้าลงเมื่อสถานการณ์เลวร้ายลง เกราะที่เบากว่าช่วยให้พวกเขาสามารถเคลื่อนไหวอย่างคล่องตัวเพียงพอที่จะรอดจากเหตุซุ่มโจมตี และบรรลุเป้าหมายได้สำเร็จ
โบรอนคาร์ไบด์มีความหนาแน่นประมาณ 2.52 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ทำให้มีน้ำหนักเบากว่าอลูมิเนียมประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ อุปกรณ์เกราะที่ผลิตจากวัสดุนี้จึงมีน้ำหนักลดลงระหว่าง 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับเกราะเหล็กธรรมดา สาเหตุของข้อได้เปรียบนี้อยู่ที่โครงสร้างของวัสดุ อะตอมของโบรนและคาร์บอนสร้างพันธะที่แข็งแรงมากภายในโครงผลึก ทำให้วัสดุมีความแข็งแกร่งสูงในขณะที่ยังคงน้ำหนักเบา เมื่อหน่วยทหารนำแผ่นโบรอนคาร์ไบด์ไปใช้งานจริงในการทดสอบภายใต้สภาวะทะเลทราย พบว่าความสามารถในการเคลื่อนที่เพิ่มขึ้นประมาณ 22% เมื่อเทียบกับระบบเกราะรุ่นเก่า ตามรายงานการศึกษาวัสดุล่าสุด
| คุณสมบัติ | บอรองคาร์ไบด์ | คาร์ไบด์ซิลิกอน | อะลูมิเนียมออกไซด์ |
|---|---|---|---|
| ความหนาแน่น (g/cm3) | 2.52 | 3.21 | 3.97 |
| ความแข็ง (GPa) | 36 | 24 | 18 |
| การเบี่ยงเบนอนุภาคกระสุน | 92% | 85% | 78% |
| ความสามารถในการทนต่อการยิงซ้ำหลายครั้ง | 87% | 91% | 82% |
ข้อมูลสมรรถนะการยิงตามโปรโตคอลการทดสอบมาตรฐานของนาโต้ (2023)
การเปรียบเทียบนี้แสดงให้เห็นถึงความเหนือกว่าของโบรอนคาร์ไบด์ในด้านความแข็งและความเบามาก ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการสมรรถนะสูง แม้ว่าความสามารถในการทนต่อการกระแทกซ้ำจะต่ำกว่าซิลิคอนคาร์ไบด์เล็กน้อย
ข้อเท็จจริงที่ว่าโบรอนคาร์ไบด์มีน้ำหนักเบาทำให้ทหารได้รับประโยชน์ในด้านการเคลื่อนไหวอย่างแท้จริง แม้ว่าจะต้องมีการแลกเปลี่ยนระหว่างความหนาของเกราะที่จำเป็นเพื่อการป้องกันที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่น แผ่นโบรอนคาร์ไบด์ขนาดมาตรฐานหนา 12 มม. สามารถหยุดกระสุนนาโต้ขนาด 7.62 มม. ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 840 เมตรต่อวินาที ซึ่งเป็นกระสุนที่อันตรายได้ แต่มีน้ำหนักเพียงประมาณ 2.1 กิโลกรัม ซึ่งเบากว่าแผ่นเกราะที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีคุณสมบัติคล้ายกันถึง 35 เปอร์เซ็นต์ การทดสอบในสนามทางทหารยังแสดงผลที่น่าสนใจอีกด้วย ทหารที่ใช้อุปกรณ์ประเภทนี้มีแนวโน้มตอบสนองได้เร็วกว่าประมาณ 18% ในการต่อสู้ระยะประชิดในเขตเมือง สอดคล้องกับเหตุผลที่ว่า การพกพาอุปกรณ์ที่มีน้ำหนักน้อยลงหมายถึงความสามารถในการเคลื่อนไหวที่ดีขึ้น และตอบสนองได้รวดเร็วกว่าในสถานการณ์ที่ตึงเครียด ซึ่งทุกวินาทีมีความสำคัญ
โบรอนคาร์ไบด์เป็นหนึ่งในวัสดุที่มีความแข็งมากที่สุดเท่าที่มีอยู่ โดยมีค่าประมาณ 9.49 บนสเกลโมส์ ซึ่งทำให้มันเหนือกว่าวัสดุเซรามิกเกือบทั้งหมดที่ใช้ในชุดเกราะป้องกันร่างกายในปัจจุบัน สิ่งที่ทำให้วัสดุนี้พิเศษคือความสามารถในการทำลายกระสุนขณะถูกยิงใส่ โดยวัสดุจะสร้างแรงเฉือนมหาศาลต่อวัตถุใดๆ ที่เคลื่อนที่เร็วกว่าประมาณ 850 เมตรต่อวินาที การศึกษาวิจัยระบุว่าโครงสร้างอะตอมของโบรอนคาร์ไบด์สามารถจัดการพลังงานจลน์ได้ดีขึ้นด้วย โดยกระจายพลังงานได้มีประสิทธิภาพมากกว่าซิลิคอนคาร์ไบด์ประมาณ 23 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเผชิญกับกระสุนเจาะเกราะที่มีความทนทานสูง ซึ่งทำให้ผู้ผลิตได้เปรียบอย่างมากในการออกแบบระบบป้องกัน และสิ่งนี้ได้รับการยืนยันซ้ำแล้วซ้ำเล่าจากการทดสอบทางบอลลิสติกแบบคอมโพสิตจริงในห้องปฏิบัติการทั่วประเทศ
ด้วยความต้านทานแรงอัดที่ 2.8 GPa คาร์ไบด์ของโบรอนสามารถรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ได้ในระหว่างการกระแทกที่เกิดขึ้นเพียงไม่กี่มิลลิวินาที ซึ่งอาจทำให้วัสดุเซรามิกชนิดอื่นเสียรูปหรือแตกร้าว ความทนทานนี้ทำให้เกราะสามารถต้านทานการถูกยิงซ้ำหลายครั้งภายในรัศมี 5 ซม. โดยไม่เกิดความล้มเหลว — ซึ่งเป็นข้อกำหนดสำคัญสำหรับการรับรองระดับ NIJ Level IV ในการป้องกันกระสุนเจาะเกราะขนาด .30 แคลิเบอร์
แม้ว่าความเหนียวต่อการแตกหักของคาร์ไบด์โบรอน (2.9 MPa·m) จะต่ำกว่าโลหะ ผู้ผลิตสามารถลดข้อจำกัดนี้ได้โดยการออกแบบเชิงวิศวกรรม:
นวัตกรรมเหล่านี้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการรับมือกับการถูกยิงซ้ำได้สูงสุดถึง 40% ทำให้เพิ่มความน่าเชื่อถือในการใช้งานจริง
คาร์ไบด์โบรอนทำลายภัยคุกคามผ่านสามระยะที่แตกต่างกัน:
กระบวนการแบบซินเนอร์จีนี้ทำให้แผ่นบอรอนคาร์ไบด์หนา 18 มม. สามารถหยุดกระสุน 7.62×51 มม. ของนาโต้ได้ ในขณะที่มีน้ำหนักเบากว่าเกราะเหล็กที่เทียบเคียงได้ 35%
เมื่อพูดถึงการหยุดกระสุนไรเฟิลความเร็วสูง โบรอนคาร์ไบด์ถือว่าโดดเด่นเป็นพิเศษ เนื่องจากสามารถตอบสนองทั้งข้อกำหนด NIJ Level III สำหรับกระสุนเจาะเกราะ 7.62x39 มม. และยังสามารถป้องกันได้ถึงระดับมาตรฐาน Level IV ต่อกระสุน .30-06 APM2 การทดสอบในห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่าประมาณ 95 เปอร์เซ็นต์ของกระสุนระดับ IV นี้ถูกหยุดอย่างสมบูรณ์ โดยไม่เกิดการบิดเบี้ยวของพื้นผิวด้านหลังมากนัก สิ่งที่ทำให้วัสดุนี้พิเศษกว่าทางเลือกอื่นๆ เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ คือ โบรอนคาร์ไบด์ให้ระดับการป้องกันเทียบเท่ากัน แต่มีน้ำหนักเบากว่าประมาณ 12 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ ความแตกต่างของน้ำหนักนี้มีความสำคัญอย่างมากเมื่อบุคลากรในสนามต้องพกอุปกรณ์ติดตัวตลอดทั้งวัน ขณะยังคงต้องได้รับการปกป้องจากระเบิดกระสุน
เมื่อทหารปฏิบัติการในพื้นที่ที่มีภัยคุกคามรุนแรง รายงานภาคสนามแสดงให้เห็นว่าเกราะป้องกันลำตัวสามารถหยุดกระสุนเจาะเกราะได้หลายนัดโดยไม่เกิดความล้มเหลวอย่างสมบูรณ์ การทดสอบแสดงให้เห็นว่าแผ่นคาร์ไบด์โบรอนสามารถหยุดกระสุนขนาด 5.56x45 มม. แบบ SS109 รวมถึงกระสุน BZ API ขนาด 7.62x54R ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 940 เมตรต่อวินาทีได้ ที่สำคัญที่สุด ทหารประมาณ 98 จากทุกๆ 100 นายที่สวมใส่อุปกรณ์ป้องกันนี้รายงานว่าได้รับบาดเจ็บน้อยลงเมื่อถูกยิง ประสิทธิภาพเช่นนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงเหตุผลที่คาร์ไบด์โบรอนทำงานได้ดีมากสำหรับทหารที่เคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วในเขตเมือง ซึ่งภัยคุกคามอาจเกิดขึ้นได้จากทุกทิศทุกทางในทุกช่วงเวลา
คาร์ไบด์ของโบรอนสามารถหยุดวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงได้ค่อนข้างดีในช่วงการปะทะครั้งแรก แต่สิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากนั้นจำเป็นต้องได้รับการพิจารณาอย่างจริงจังจากวิศวกร การพิจารณาโครงสร้างจุลภาคจะเห็นสิ่งที่น่าสนใจ: รอยแตกเล็กๆ เหล่านี้แผ่ออกไปช้าลงประมาณ 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับอลูมิเนียมออกไซด์ ซึ่งทำให้แตกต่างอย่างมากในการป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนอันตรายหลุดร่วงออกมา ทางทหารได้มีการพัฒนารูปร่างของแผ่นเกราะและการเสริมความแข็งแรงของขอบระหว่างแผ่นมาโดยตลอด สิ่งปรับปรุงเหล่านี้ทำให้แผ่นเกราะรูปหกเหลี่ยมสามารถทนต่อการถูกยิงด้วยกระสุนเจาะเกราะได้ถึงสามนัด ในตำแหน่งที่อยู่ใกล้กันเพียง 5 เซนติเมตร ซึ่งถือว่าน่าประทับใจมากสำหรับวิทยาศาสตร์วัสดุในปัจจุบัน
เกราะที่ทำจากโบรอนคาร์ไบด์ช่วยลดน้ำหนักรวมของระบบลงประมาณ 30% เมื่อเทียบกับตัวเลือกเหล็กแบบดั้งเดิม แต่ยังคงให้การป้องกันที่ดีกว่า ประโยชน์ในโลกความเป็นจริงนั้นสำคัญอย่างมาก เช่น ทหารสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้นประมาณ 18% ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพในการปฏิบัติภารกิจในสนาม และพวกเขายังรายงานว่ารู้สึกเมื่อล้าลงประมาณ 22% หลังจากการปฏิบัติภารกิจนานๆ สิ่งนี้มีความสำคัญมากในภารกิจระยะยาว แม้จะมีการปกคลุมบริเวณลำตัวทั้งหมดที่มีน้ำหนักน้อยกว่า 4.5 กิโลกรัม เนื้อวัสดุนี้ทำงานได้ดีเพราะรวมคุณสมบัติน้ำหนักเบาสัมพัทธ์ที่มีความหนาแน่นเพียง 2.52 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร เข้ากับความแข็งที่สูงถึง 9.6 บนสเกลโมห์ส (Mohs) บุคลากรทางทหารจึงได้รับความสบายตลอดวันโดยไม่ต้องแลกกับระดับความปลอดภัย ทำให้วัสดุนี้เป็นตัวเลือกที่ชาญฉลาดสำหรับอุปกรณ์รบยุคใหม่
โบรอนคาร์ไบด์ถูกใช้ในแพลตฟอร์มการป้องกันที่สำคัญต่างๆ:
| ประเภทระบบ | การลดน้ำหนัก | ระดับการป้องกัน |
|---|---|---|
| เกราะกันกระสุนแทคติคัล | 35-40% | NIJ IV |
| เกราะเฮลิคอปเตอร์ | 28-32% | MIL-A-6620F |
| หน่วยบัญชาการเคลื่อนที่ | 25-30% | STANAG 4569 L4 |
ความสามารถในการดูดซับนิวตรอน (พื้นที่ตัดขวาง 380 บาร์น) ยังทำให้มันมีค่ามากในยานพาหนะที่ทนทานต่อรังสีนิวเคลียร์และเกราะป้องกันทางทะเล การทดสอบภาคสนามของอุปกรณ์ตอบสนองอย่างรวดเร็วแสดงให้เห็นว่าสามารถจัดวางได้เร็วขึ้น 72% เนื่องจากน้ำหนักบรรทุกลดลง ส่งผลให้เพิ่มประสิทธิภาพในการตอบสนองเชิงยุทธวิธีมากยิ่งขึ้น
ห้องปฏิบัติการวิจัยของกองทัพบกพบสิ่งที่น่าสนใจเมื่อพวกเขาลดน้ำหนักเกราะทหารราบจากประมาณ 7.1 กิโลกรัม เหลือเพียง 4.8 กิโลกรัม ทำให้ทหารสามารถปฏิบัติภารกิจในสนามได้นานขึ้น โดยเพิ่มระยะเวลาได้ประมาณ 38% ผลการทดสอบเป็นเวลาสามวันยังแสดงให้เห็นอีกอย่างหนึ่งว่า ความผิดพลาดที่เกิดจากความเหนื่อยล้าลดลงอย่างมาก คือ มีข้อผิดพลาดน้อยลงประมาณ 61% โดยรวม และความสามารถในการเล็งเป้าหมายของทหารมีความแม่นยำเพิ่มขึ้นเกือบ 20% แม้ในสถานการณ์ที่มีความเครียดสูงบนสมรภูมิรบ ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? แน่นอนว่าเพราะมีน้ำหนักที่กดทับร่างกายลดลง แต่อีกปัจจัยสำคัญคือปริมาณความร้อนที่สะสมอยู่ภายในชุดเกราะ เกราะใหม่นี้ใช้วัสดุโบรนอนคาร์ไบด์ ซึ่งสามารถนำความร้อนออกไปได้ค่อนข้างดี (ประมาณ 120 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน หากใครสนใจตัวเลขนี้) ส่งผลให้อุณหภูมิของทหารต่ำกว่าเดิมประมาณ 2 ถึง 3 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับเกราะโลหะรุ่นเก่า ในช่วงที่เกิดการสู้รบซึ่งอุณหภูมิปกติจะพุ่งสูงขึ้น
โบลอนคาร์ไบด์จัดอยู่ในอันดับสามของวัสดุที่มีความแข็ง โดยมีค่าความแข็งประมาณ 38 ถึง 42 กิกะพาสกาล ตามการวัดแบบวิกเกอร์ส แต่มีข้อเสียสำคัญในเรื่องความเหนียวต่อการแตกร้าว ซึ่งมีค่าระหว่าง 2.9 ถึง 3.7 เมกะพาสกาลรากเมตร นั่นหมายความว่าวัสดุชนิดนี้อาจเกิดความล้มเหลวได้ง่ายหลังจากถูกกระแทกหลายครั้ง การทดสอบบางอย่างแสดงให้เห็นว่าแผ่นโบลอนคาร์ไบด์ทั่วไปสูญเสียประสิทธิภาพในการป้องกันลงประมาณ 22% หลังจากถูกยิงด้วยกระสุนเจาะเกราะขนาดมาตรฐาน 7.62x39 มม. เพียงสามนัด ซึ่งถือว่าเป็นสมรรถนะที่ไม่ดีนักสำหรับวัสดุที่ถือว่าหนึ่งในวัสดุที่ทนทานที่สุดในโลก อุตสาหกรรมจึงตอบสนองด้วยการเพิ่มชั้นโพลีเอทิลีนโมเลกุลหนักสูงมาก (UHMWPE) ไว้ด้านหลังแผ่นโบลอนคาร์ไบด์ ระบบเสริมแรงดังกล่าวช่วยดูดซับพลังงานที่เหลือจากการกระแทก และทำให้ชุดเกราะโดยรวมเบากว่าโซลูชันเกราะเหล็กที่เทียบเคียงกันได้ประมาณ 40%
ต้นทุนการผลิตเกินกว่า 1,500 ดอลลาร์สหรัฐต่อตารางเมตร—เกือบสามเท่าของอลูมิเนียมออกไซด์—เนื่องจากความต้องการในการเผาให้แน่น: อุณหภูมิ 2,200°C และแรงดัน 20MPa เป็นระยะเวลา 8–12 ชั่วโมง วิธีการใหม่ๆ เช่น คาร์ไบด์โบรอนแบบปฏิกิริยา (RBB4C) สามารถลดเวลาการประมวลผลลงได้ 30% แม้ว่าจะมีปริมาณซิลิคอนโลหะ 12% ซึ่งอาจลดสมรรถนะด้านกระสุนลงเล็กน้อย
ความกังวลในช่วงแรกเกี่ยวกับความไวต่อสิ่งแวดล้อมถูกพิสูจน์แล้วว่าไม่เป็นความจริงจากการทดสอบภาคสนาม:
ผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันว่าคาร์ไบด์โบรอนเหมาะสมสำหรับการใช้งานทั่วโลกในสภาพภูมิอากาศที่หลากหลาย
นักวิจัยกำลังฝังนาโนไวร์คาร์ไบด์ซิลิคอนขนาด 2–5 นาโนเมตรลงในแมทริกซ์คาร์ไบด์โบรอน ซึ่งช่วยเพิ่มความเหนียวต่อการแตกหักเป็น 4.1–5.2 เมกานิวตันต่อตารางรากเมตร หรือสูงขึ้น 40% โดยไม่เพิ่มน้ำหนัก ต้นแบบปี 2024 ที่ใช้เคลือบออกไซด์กราฟีนสามารถทนต่อการยิงซ้ำได้สูงขึ้น 18% ต่อกระสุน 5.56×45 มม. นาโต้ แสดงถึงความก้าวหน้าที่น่าจับตามองในเกราะรุ่นใหม่
การออกแบบขั้นสูงใช้ประโยชน์จากความแข็งผิวของคาร์ไบด์โบรอนในโครงสร้างแบบชั้นๆ:
| ชั้น | วัสดุ | ความหนา | ฟังก์ชัน |
|---|---|---|---|
| ด้านรับกระแทก | บอรองคาร์ไบด์ | 5-6 มม. | ทำให้แกนกระสุนแตกกระจาย |
| ชั้นกลาง | คาร์ไบด์ซิลิกอน | 3-4mm | ดูดซับพลังงานที่เหลืออยู่ |
| การสนับสนุน | UHMWPE | 15-20MM | ดักเศษชิ้นส่วน |
ระบบเกราะแบบชั้นนี้สามารถตอบสนองมาตรฐาน NIJ Level IV ได้ที่เพียง 4.3 กิโลกรัมต่อตารางเมตร—เบากว่าแผ่นเซรามิกแบบเดี่ยว 28%—โดยให้ประสิทธิภาพสูงสุดผ่านการรวมวัสดุอย่างชาญฉลาด
EN
