درع سيراميكي
الدرع السيراميكي أو الدرع الخزفي (Ceramic armor)، هو درع يستخدم في المركبات المدرعة والدروع الواقية للأفراد للحيلولة دون اختراق المقذوفات بفضل صلابته العالية ومتانته الانضغاطية. يتكون الدرع السيراميكي في أبسط صوره من مكونين رئيسيين: طبقة سيراميكية على السطح الخارجي، تُسمى "وجه الضربة"، مدعومة بطبقة مركبة أو معدنية من البلاستيك المقوى بالألياف. يتمثل دور السيراميك في: (1) كسر المقذوف أو تشويه مقدمته عند الاصطدام، (2) تآكل بقايا المقذوف وإبطاء سرعتها عند اختراقها طبقة السيراميك المحطمة، و(3) توزيع حمل الاصطدام على مساحة أكبر، والتي يمكن امتصاصها بواسطة الپوليمر المرن أو الدعامات المعدنية. يُستخدم السيراميك غالباً حيث يكون الوزن الخفيف أمراً هاماً، إذ إنه أخف وزناً من السبائك المعدنية بدرجة مقاومة معينة. أكثر المواد شيوعاً هي الألومينا، كربيد البورون، وبدرجة أقل، كربيد السيليكون.[1][2]
تعتمد الحماية في الدروع السيراميكية تعتمد على ثلاث آليات:
1 - السيراميك يكسر المقذوف: المادة السيراميكية شديدة الصلابة فتقوم بتحطيم أو تشويه مقدمة المقذوف عند الاصطدام.
2- طبقة خلفية مرنة تمتص الطاقة: خلف السيراميك تُوضع طبقة كالأراميد (مثل الكڤلار) أو ألياف الپولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي لامتصاص الصدمة ومنع التشظي من اختراق الجسم.
3- توزيع قوة الضربة على مساحة أكبر مما يقلّل الإصابة خلف الدرع.
التاريخ
أثبتت الاختبارات التي أُجريت في وقت مبكر من عام 1918 إمكانات الدروع السيراميكية؛ ووجد الرائد نڤيل مونرو-هوپكنز أن إضافة طبقة رقيقة من المينا إلى الفولاذ حسّنت خصائصه الباليستية بشكل كبير. ظهر توجه لاستخدام المواد السيراميكية مع تطور الأسلحة النارية عالية السرعة، خاصة بعد الحرب العالمية الثانية. الرصاص الحديث والطلقات ذات الأنوية الصلبة أصبحت قادرة على اختراق أغلب الدروع المعدنية التقليدية (الفولاذ)، لذا كان لا بد من مادة: صلبة جداً لكسر وتشويه المقذوف؛ خفيفة الوزن مقارنة بالفولاذ؛ وهنا برز السيراميك كمرشّح مثالي. لم يكن أول استخدام عملي له إلا في حرب ڤيتنام[3] حيث تعرضت المروحيات لنيران الأسلحة الصغيرة بشكل متكرر. عام 1965، زُوِّدت طواقم المروحيات بدروع واقية من السيراميك، وأُضيفت مجموعات دروع مركبة صلبة إلى مقاعد الطيارين. وبحلول العام التالي، نُشرت سترات سيراميكية متجانسة وألواح دروع مثبتة على هيكل الطائرة. وفي مروحيات "هيوي"، قُدِّر أن هذه التحسينات قد خفضت الوفيات بنسبة 53%، والإصابات غير المميتة بنسبة 27%.
التصميم
تتراوح تصميمات الدروع السيراميكية من الصفائح المتجانسة إلى الأنظمة التي تستخدم مصفوفات ثلاثية الأبعاد. سجّلت شركة گوديير للفضاء الجوي إحدى أولى براءات الاختراع للدروع السيراميكية عام 1967. وقد تضمنت هذه الدروع كرات سيراميكية من الألومينا في صفائح رقيقة من الألومنيوم، مُرتبة بحيث تملأ كرات كل طبقة الفجوات بين كرات الطبقات المحيطة، بطريقة تُشبه هيكل التعبئة المكعب المُتمركز على الجسم. ثُبّت النظام بأكمله باستخدام رغوة الپولي يوريثان، أو الألومنيوم السميك، أو الپولي إيثيلين عالي الكثافة متعدد الطبقات، أو ألياف الپارا-أراميد، أو طبقة داعمة مُركّبة من 30% PALF و70% إيپوكسي.[4] أثبت هذا التطور فعالية التصميم القائم على المصفوفة، وحفّز تطوير أنظمة أخرى قائمة على المصفوفة. يجمع معظمها بين عناصر سيراميكية أسطوانية أو سداسية أو كروية مع دعامة من سبيكة معدنية غير مخصصة للدروع.[1] أثبت هذا التطور فعالية التصميم القائم على المصفوفة، وحفّز تطوير أنظمة أخرى قائمة على المصفوفة. تجمع معظم هذه الأنظمة بين عناصر سيراميكية أسطوانية أو سداسية أو كروية مع دعامة من سبيكة معدنية مخصصة غير مدرعة.[1] على النقيض من ذلك، تعتمد الدروع الصفيحية المتجانسة على صفائح مفردة من السيراميك المتطور تُدلخ في سترة باليستية تقليدية بدلاً من صفيحة فولاذية.
الآلية
على عكس المعادن، لا يُستخدم السيراميك وحده في أنظمة الدروع؛ بل يُدمج دائماً مع طبقة داعمة من المعدن أو مواد مركبة من البلاستيك المقوى بالألياف، ويُسمى هذا التجميع ذو السطح الخزفي درعاً سيراميكياً. تتميز المواد السيراميكية، مثل الزجاج، بصلابة عالية وقوة ضغط، لكنها منخفضة في مقاومة الشد. يُؤخر ربط بلاطة سيراميكية بمادة داعمة معدنية أو مركبة، ذات قوة عالية ومرونة جيدة، أو يُخفف من ضعف الشد عند الاصطدام، ويُجبر السيراميك على الانهيار تحت الضغط.[2]
تتصدى أنظمة الدروع السيراميكية لمقذوفات الأسلحة الصغيرة ومخترقات الطاقة الحركية بآليتين رئيسيتين: التحطيم والتآكل. عندما يصطدم مقذوف من الفولاذ الصلب أو كربيد التنگستن بالطبقة السيراميكية لنظام درع سيراميكي، يتوقف مؤقتاً، في ظاهرة تُعرف باسم السكون. وبناءً على سمك وصلابة الطبقة السيراميكية، يتحطم قلب المقذوف أو يتشقق أو يتبلد. تستمر بقايا المقذوف في اختراق بلاطة السيراميك المفتتة بسرعة منخفضة، مما يؤدي إلى تآكل تلك البقايا وتقليل طاقتها وطولها وكتلتها. ثم تعمل طبقة المركب البلاستيكي المقوى بالمعدن أو الألياف خلف الطبقة الخزفية على إيقاف شظايا المقذوف أو بقاياه المتآكلة، وتمتص الطاقة الحركية المتبقية، عادةً عن طريق التشوه البلاستيكي. إذا كانت المادة الداعمة رقيقة أو ضعيفة للغاية بحيث لا تمتص الطاقة الحركية المتبقية، أو إذا لم تتحطم المقذوفة واحتفظت بقايا المقذوفات المتآكلة بكمية كبيرة من كتلتها وطاقتها الحركية، فسيحدث اختراق. لذا، فإن كلًا من الطبقة السيراميكية وطبقة دعمها متساويتان في الأهمية.
في الدروع السيراميكية للمركبات، غالباً ما تكون مادة الدعم الفولاذ الهيكلي، وغالباً ما تكون درع متجانس مدلفن، مع استخدام الألومنيوم أحياناً. أما في الدروع الواقية، حيث يسعى مصممو الدروع السيراميكية إلى جعل صفائح الدروع الخزفية خفيفة ومريحة قدر الإمكان، تكون مادة الدعم عادةً مركباً من ألياف الپولي إيثيلين خفيفة الوزن وعالية الوزن الجزيئي، وقد تكون أيضاً مركباً من ألياف الأراميد. وفي صفائح الدروع السيراميكية منخفضة الجودة أو في الصفائح المخصصة للأفراد الثابتين مثل طواقم المروحيات، تُستخدم الألياف الزجاجية أحياناً.
في مواجهة القذائف المضادة للدبابات شديدة الانفجار، تعمل العناصر السيراميكية على تكسير هندسة النفاثة المعدنية التي تولدها الشحنة المشكلة، مما يقلل بشكل كبير من قدرتها على الاختراق.
الفعالية
| العنصر | السيراميك | الفولاذ |
|---|---|---|
| الوزن | أخف بكثير | أثقل |
| مقاومة الخرق عالي السرعة | ممتازة | محدودة |
| قابلية التضرر بعد الإصابة | يتشقق ويتضرر | قابل للاستخدام بعد ضربات متعددة |
| التكلفة | أعلى | أقل |
السيراميك غالباً يُستخدم على شكل لوح واحد مخصص لطلقة معينة، وبعد اختراق أو ضربات عدة قد يفقد فعاليته.
التطبيقات
تستخدم الدروع السيراميكية بشكل عام في المجال العسكري:
- سترات الجنود الواقية (الألواح الأمامية والخلفية)
- المركبات المدرعة
- الحماية من ذخيرة العيار العالي (مثل المقذوفات الخارقة للدروع)
- تطبيقات الطيران العسكري
وبعد الحروب الحديثة (مثل حرب العراق وأفغانستان)، ازدادت أهمية هذه الدروع بسبب الحاجة إلى حماية أفضل بوزن أخف.
الدروع الواقية
تُستخدم صفائح السيراميك عادةً كحشوات في السترات الواقية من الرصاص. توفر معظم الصفائح السيراميكية المستخدمة في الدروع الواقية من الرصاص حماية من النوع الثالث، مما يسمح لها بصد رصاصات البنادق. تُعد الصفائح السيراميكية نوعاً من الدروع المركبة. يمكن أيضاً صنع الصفائح من الفولاذ أو الپولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي.
عادةً ما تُوضع صفيحة سيراميكية في الطبقة الخارجية للسترة المدرعة اللينة. قد تحتوي على صفيحتين، واحدة في الأمام والأخرى في الخلف، أو صفيحة عامة واحدة في الأمام أو الخلف. تسمح بعض السترات باستخدام صفيحتين صغيرتين على الجانبين لمزيد من الحماية. تُسمى الألواح السيراميكية التي يصدرها الجيش الأمريكي بإدخال حماية محسّن للأسلحة الصغيرة (ESAPI).
يتراوح الوزن التقريبي للوح درع سيراميكي واحد من المستوى الثالث من NIJ بين 2.0 و3.6 كجم للحجم النموذجي 25 × 30 سم. تتوفر أنواع أخرى من الألواح بأحجام مختلفة وتوفر مستويات حماية مختلفة. على سبيل المثال، يوفر لوح MC (لوح التغطية القصوى) تغطية أكبر بنسبة 19% من اللوح السيراميكي القياسي.
تُعدّ المواد السيراميكية، ومعالجة المواد، والتقدم في ميكانيكا اختراق السيراميك مجالاتٍ مهمة للنشاط الأكاديمي والصناعي. هذا المجال المُشترك لأبحاث الدروع السيراميكية واسع، ولعلّ الجمعية الأمريكية للسيراميك تُلخّصه على أفضل وجه. وقد عقدت الجمعية الأمريكية للسيراميك مؤتمراً سنوياً للدروع لعدة سنوات، وجمعت وقائع المؤتمر للفترة من 2004 حتى 2007.[6] من مجالات النشاط الخاصة المتعلقة بالسترات الاستخدام الناشئ للمكونات السيراميكية الصغيرة. تُعدّ صفائح السيراميك كبيرة الحجم، التي تناسب حجم الجذع، معقدة التصنيع، وتتعرض للتشقق أثناء الاستخدام. كما أن قدرة الصفائح المتجانسة على تحمل الصدمات المتعددة محدودة نتيجةً لمساحة الكسر الكبيرة فيها. هذه هي دوافع أنواع جديدة من صفائح الدروع. تستخدم هذه التصاميم الجديدة مصفوفات ثنائية وثلاثية الأبعاد من العناصر السيراميكية، والتي يمكن أن تكون صلبة أو مرنة أو شبه مرنة. يُعدّ درع التنين الواقي أحد هذه الأنظمة، على الرغم من فشله في العديد من الاختبارات التي أجراها الجيش الأمريكي، ورُفض. وقد أدت التطورات الأوروپية في المصفوفات الكروية والسداسية إلى منتجات تتميز ببعض المرونة والأداء في تحمل الصدمات المتعددة.[7] يُعد تصنيع أنظمة المصفوفات ذات الأداء الباليستي المرن والمتسق عند حواف العناصر السيراميكية مجالاً بحثياً نشطاً. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب تقنيات معالجة السيراميك المتقدمة أساليب تجميع لاصقة. ومن الأساليب المبتكرة استخدام مثبتات الخطاف والحلقة لتجميع المصفوفات السيراميكية.[8]
المصادر
- ^ أ ب ت Yang, M.; Qiao, P. (2010). "High energy absorbing materials for blast resistant design". Blast Protection of Civil Infrastructures and Vehicles Using Composites. pp. 88–119. doi:10.1533/9781845698034.1.88. ISBN 978-1-84569-399-2.
- ^ أ ب "Ballistic Armor Glossary - Common Terms, Threats, and Materials". Adept Armor. May 3, 2021. Retrieved 11 May 2022.
- ^ Hazell, Paul J. (2015-07-29). Armour: materials, theory, and design. Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 9781482238303. OCLC 913513740.
- ^ Ballistic Armor System, by Goodyear Aerospace Corp, (1967, May 10). US4179979A. Accessed on Nov. 28, 2018. [Online]. Available: Google Patents
- ^ "Steel vs Ceramic Body Armor". ar500armor.com. Retrieved 2025-12-03.
- ^ Wiley Advances in Ceramic Armor III ACS
- ^ Tencate AresShield
- ^ Foster Miller Last Armor.