Розробка та визначення фізико-хімічних властивостей літійалюмосилікатних склокристалічних матеріалів для бронезахисту

Автор(и)

  • Святослав Олександрович Рябінін Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0003-2972-8540
  • Артем Вячеславович Захаров Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-0120-8263
  • Микита Сергійович Майстат Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-1875-3946
  • Станіслав Леонідович Лігезін Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-1097-1594

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.346699

Ключові слова:

алюмосилікатні склокристалічні матеріали, бронеелемент, ударостійкість, швидкість розповсюдження хвиль, фізико-хімічні властивості

Анотація

Це дослідження зосереджено на сподуменових склокристалічних матеріалах у системі R2O–RO–RO2–R2O3–Li2O–CaO–P2O5–SiO2.

Проблемою дослідження є отримання легких склокристалічних матеріалів з високою мікротвердістю та стійкістю до розтріскування, зберігаючи при цьому низьку уявну густину та помірне енергоспоживання при виготовлені. Для дослідження структури та фазового складу зразків, отриманих за допомогою одно- та двостадійної термічної обробки, було використано DTA/DSC, XRD та оптичну мікроскопію.

За результатами досліджень розроблено серію складів та для них визначено структурні характеристики скломатриці. Отримані дані показують, що низькотемпературна двостадійна термічна обробка (нуклеація при 530 ℃, кристалізації при 850…900 ℃) сприяє формуванню дрібнозернистої структури, в якій переважає β-сподумен (80…85 об.%). Порівняно з одноступеневим процесом, HV та H збільшилася на 9…20%, K1C на 20…31%, а E на 25%. Цей ефект можна пояснити метастабільною мікроліквацією та ранньою нуклеацією, що призводить до утворення високощільних, дрібнозернистих призматичних зерен β-сподумену, які перешкоджають поширенню тріщин.

Вибір оксидів та складу нуклеаторів (TiO2, ZrO2) має вирішальне значення. Введення фторидів та невеликої кількості оксидів рідкісноземельних елементів знижує в’язкість розплаву та температуру зародкоутворення. Додавання P2O5 сприяє локалізованій мікроліквації дрібнозернистої морфології цільової фази. Ці фактори реконструюють склоподібну фазу та сприяють механічному зміцненню, розподіляючи напруження більш рівномірно в межах дрібнодисперсної кристалічної матриці.

Практичне значення дослідження полягає в тому, що отримані сподуменвмісні композитні матеріали мають як високі значення механічних властивостей (HV = 7,9…9,2 ГПа; K1C = 1,8…3,4 МПа·м0,5), так і достатньо низьку, в порівнянні з іншими захисними матеріалами, уявну густину (ρ = 2370…2450 кг/м3). Ці матеріали придатні для виготовлення легких індивідуальних куленепробивних композитних компонентів

Біографії авторів

Святослав Олександрович Рябінін, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Доктор філософії (PhD)

Кафедра технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей

Артем Вячеславович Захаров, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Кандидат технічних наук

Кафедра технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей

Микита Сергійович Майстат, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Доктор філософії (PhD)

Кафедра технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей

Станіслав Леонідович Лігезін, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Доктор філософії (PhD)

Кафедра технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей

Посилання

  1. Venkateswaran, C., Sreemoolanadhan, H., Vaish, R. (2021). Lithium aluminosilicate (LAS) glass-ceramics: a review of recent progress. International Materials Reviews, 67 (6), 620–657. https://doi.org/10.1080/09506608.2021.1994108
  2. LaSalvia, J. C. (2015). Advances in ceramic armor. Wiley.
  3. Fejdyś, M., Kośla, K., Kucharska-Jastrząbek, A., Łandwijt, M. (2020). Influence of ceramic properties on the ballistic performance of the hybrid ceramic–multi-layered UHMWPE composite armour. Journal of the Australian Ceramic Society, 57 (1), 149–161. https://doi.org/10.1007/s41779-020-00516-7
  4. Dresch, A. B., Venturini, J., Arcaro, S., Montedo, O. R. K., Bergmann, C. P. (2021). Ballistic ceramics and analysis of their mechanical properties for armour applications: A review. Ceramics International, 47 (7), 8743–8761. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.12.095
  5. Xiang, S., Ma, L., Yang, B., Dieudonne, Y., Pharr, G. M., Lu, J. et al. (2019). Tuning the deformation mechanisms of boron carbide via silicon doping. Science Advances, 5 (10). https://doi.org/10.1126/sciadv.aay0352
  6. Shen, Z., Hu, D., Yang, G., Han, X. (2019). Ballistic reliability study on SiC/UHMWPE composite armor against armor-piercing bullet. Composite Structures, 213, 209–219. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.01.078
  7. Sajdak, M., Kornaus, K., Zientara, D., Moskała, N., Komarek, S., Momot, K. et al. (2024). Processing, Microstructure and Mechanical Properties of TiB2-MoSi2-C Ceramics. Crystals, 14 (3), 212. https://doi.org/10.3390/cryst14030212
  8. Chiu, Y.-J., Yen, C.-Y., Chiang, M.-S., Chen, G.-J., Jian, S.-R., Wang, C., Kao, H.-L. (2017). Mechanical Properties and Fracture Toughness of AlN Thin Films Deposited Using Helicon Sputtering. Nanoscience and Nanotechnology Letters, 9 (4), 562–566. https://doi.org/10.1166/nnl.2017.2357
  9. Gallo, L. S., Villas Boas, M. O. C., Rodrigues, A. C. M., Melo, F. C. L., Zanotto, E. D. (2019). Transparent glass–ceramics for ballistic protection: materials and challenges. Journal of Materials Research and Technology, 8 (3), 3357–3372. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.05.006
  10. Li, M., Xiong, C., Ma, Y., Jiang, H. (2022). Study on Crystallization Process of Li2O–Al2O3–SiO2 Glass-Ceramics Based on In Situ Analysis. Materials, 15 (22), 8006. https://doi.org/10.3390/ma15228006
  11. Dittmer, M., Ritzberger, C., Höland, W., Rampf, M. (2018). Controlled precipitation of lithium disilicate (Li2Si2O5) and lithium niobate (LiNbO3) or lithium tantalate (LiTaO3) in glass-ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 38 (1), 263–269. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.08.032
  12. Glatz, P., Comte, M., Montagne, L., Doumert, B., Cousin, F., Cormier, L. (2020). Structural evolution at short and medium range distances during crystallization of a P2O5-Li2O-Al2O3-SiO2 glass. Journal of the American Ceramic Society, 103 (9), 4969–4982. https://doi.org/10.1111/jace.17189
  13. Abdullah, A. A., Dlugogorski, B. Z., Oskierski, H. C., Senanayake, G. (2024). Kinetics of spodumene calcination (α-LiAlSi2O6). Minerals Engineering, 216, 108902. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2024.108902
  14. Savvova, O. V., Babich, O. V., Voronov, G. K., Ryabinin, S. O. (2017). High-Strength Spodumene Glass-Ceramic Materials. Strength of Materials, 49 (3), 479–486. https://doi.org/10.1007/s11223-017-9890-4
  15. Savvova, O. V., Babich, O. V., Voronov, H. K., Riabinin, S. O. (2017). Vysokomitsni spodumenovi sklokrystalichni materialy. Problemy mitsnosti, 3, 167–175. Available at: https://nasplib.isofts.kiev.ua/items/6a48d4df-eee2-4aeb-9a2a-fab8af8a5c49
  16. NATO AEP-55 STANAG 4569 Protection levels for Occupants of Logistic and Light Armoured Vehicles. NATO. Available at: https://ballistics.com.au/wp-content/uploads/2020/05/NATO_AEP-55_STANAG_4569_standards.pdf
  17. Yu, X., Wang, M., Rao, Y., Xu, Y., Xia, M., Zhang, X., Lu, P. (2023). Unveiling the evolution of early phase separation induced by P2O5 for controlling crystallization in lithium disilicate glass system. Journal of the European Ceramic Society, 43 (12), 5381–5389. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.05.006
  18. Zhou, Z., He, F., Shi, M., Xie, J., Wan, P., Cao, D., Zhang, B. (2022). Influences of Al2O3 content on crystallization and physical properties of LAS glass-ceramics prepared from spodumene. Journal of Non-Crystalline Solids, 576, 121256. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.121256
  19. Lisachuk, G. V., Ryshenko, M. I., Belostockaya, L. A. (2008). Steklokristallicheskie pokrytiya po keramike. Kharkiv: NTU" HPI, 480. Available at: https://library.kpi.kharkov.ua/files/new_postupleniya/stkrpo.pdf
  20. Trusova, Yu. D. (2004). Empiricheskiy kriteriy kristallizacionnoy sposobnosti mnogokomponentnyh oksidnyh rasplavov. Vestnik NTU «KhPI», 34, 38–44.
  21. Savvova, О., Voronov, H., Babich, О., Fesenko, O., Riabinin, S., Bieliakov, R. (2020). Solid Solutions Formation Mechanism in Cordierite-Mullite Glass Materials During Ceramization. Chemistry & Chemical Technology, 14 (4), 583–589. https://doi.org/10.23939/chcht14.04.583
  22. Savvova, O. V., Ryabinin, S. A., Svitlichniy, E. A., Voronov, G. K., Fesenko, A. I. (2019). Selection justification of methods for obtaining glass-ceramic materials. Keramika: Nauka i Zhyttia, 3 (44), 8–15. https://doi.org/10.26909/csl.3.2019.1
  23. Riabinin, S., Zakharov, A., Maizelis, A., Prytychenko, H. (2024). Determination of prospective directions for the improvement of materials for individual armor protection. Bulletin of the National Technical University “KhPI”. Series: Chemistry, Chemical Technology and Ecology, 2 (10), 53–60. https://doi.org/10.20998/2079-0821.2023.02.09
  24. ISO 23146:2012. Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Test methods for fracture toughness of monolithic ceramics — Single-edge V-notch beam (SEVNB) method. ISO. Available at: https://www.iso.org/standard/62093.html
  25. EN 1288-1:2000. Glass in building - Determination of the bending strength of glass - Part 1: Fundamentals of testing glass. Available at: https://standards.iteh.ai/catalog/standards/cen/5c0c5441-ce5e-44f4-ae8e-b187edd43653/en-1288-1-2000
  26. ASTM C730-98(2021). Standard Test Method for Knoop Indentation Hardness of Glass. ASTM International. Available at: https://www.astm.org/c0730-98r21.html
  27. Inage, K., Akatsuka, K., Iwasaki, K., Nakanishi, T., Maeda, K., Yasumori, A. (2020). Effect of crystallinity and microstructure on mechanical properties of CaO-Al2O3-SiO2 glass toughened by precipitation of hexagonal CaAl2Si2O8 crystals. Journal of Non-Crystalline Solids, 534, 119948. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.119948
  28. Fedorenko, O. Yu. et al. (2015). Khimichna tekhnolohiya tuhoplavkykh nemetalevykh i sylikatnykh materialiv u prykladakh i zadachakh. Ch. 2. Fizyko-khimichni systemy, fazovi rivnovahy, termodynamika, resurso- ta enerhozberezhennia v tekhnolohiyi tuhoplavkykh nemetalevykh i sylikatnykh materialiv. Kharkiv, 336. Available at: https://library.kpi.kharkov.ua/uk/chemistry_himtehnol
Розробка та визначення фізико-хімічних властивостей літійалюмосилікатних склокристалічних матеріалів для бронезахисту

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-12-10

Як цитувати

Рябінін, С. О., Захаров, А. В., Майстат, М. С., & Лігезін, С. Л. (2025). Розробка та визначення фізико-хімічних властивостей літійалюмосилікатних склокристалічних матеріалів для бронезахисту. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(12 (138), 17–25. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.346699

Номер

Том 6 № 12 (138) (2025): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Sviatoslav Riabinin, Artem Zakharov, Mykyta Maistat, Stanislav Lihezin

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.