Bij keramiek denkt de gemiddelde mens eerst aan aardewerk of porselein, en in het verlengde daarvan aan breekbaar. “Ben je met kevlar bezig?”, hoort Ir. Erik Simons dan ook vaak als hij vertelt dat hij onderzoek doet naar kogelwerend materiaal, maar het is toch echt keramiek. In samenwerking met TNO houdt de promovendus zich namelijk bezig met de modellering van de impact-werende eigenschappen van dat materiaal.
Erik Simons is een promovendus van eigen bodem. Hij volgde zijn bachelor- en masteropleiding bij CiTG en studeerde er cum laude af op het modelleren van schade in beton. Na een uitstapje van een jaar, waarin hij onderzoek deed naar medische lijmen, is hij nu terug bij de sectie Structural Mechanics voor zijn promotieonderzoek naar keramiek. Beton en keramiek vertonen wel gelijkenissen. “Beide zijn sterker onder druk- dan onder trekbelasting. Een ander raakvlak is dat ze beide bros kunnen falen, zonder vervorming”, vertelt Simons. Met andere woorden: het breekt zoals een kopje dat je laat vallen. Er zijn ook wel verschillen, natuurlijk. “Beton is veel poreuzer dan keramiek en dat levert onder hoge druk significant ander gedrag op. Maar je kunt voor het modelleren van het materiaalgedrag wel vergelijkbare principes en ideeën toepassen. De verschillen zitten vooral op het niveau van de materiaalstructuur.” Keramiek is zeker geen nieuw materiaal. Tussen de vroege bandkeramieken potten in Europa en de keramische hitteschilden van de Space Shuttle zit zo’n zevenduizend jaar. In die tijd is het materiaal behoorlijk ontwikkeld. “Vooral de precieze chemische samenstelling en de moderne productiemethoden zijn anders”, vertelt Simons. Als kogelwerend materiaal werd keramiek voor het eerst in de jaren zestig – de tijd van de Vietnamoorlog – gebruikt. Keramiek is namelijk veel lichter dan het staal waarvan nog tot in de Eerste Wereldoorlog harnassen werden gemaakt. “Tegenwoordig wordt vaak een combinatie gebruikt van een plaat staal achter een plaat keramiek”, aldus Simons. Een van de eerste toepassingen was voor de bepantsering van helikopters, waar gewicht een belangrijk aspect is.
Schietproef
Ondanks die lange geschiedenis ontbreekt het nog aan kennis op het gebied van de impact-werende eigenschappen. “Er wordt al jaren onderzoek naar gedaan, maar vaak experimenteel”, zegt Simons. Dat werkt als volgt: je neemt een stukje pantsermateriaal en schiet erop. “Wat je daar uit kunt halen is de situatie voor en na de schietproef, en met behulp van hogesnelheidscamera's kun je ook nog zien wat er gebeurt en bij welke snelheden. Dat werkt misschien goed om te beoordelen hoe dik je pantser moet zijn om een bepaald projectiel tegen te houden, maar het vertelt je niet zoveel over wat er in het materiaal zelf gebeurt tijdens de inslag.”
Daar is wel behoefte aan, vooral in de zoektocht naar steeds betere materialen. Er is namelijk een verscheidenheid aan keramische materialen denkbaar. Keramiek wordt immers geproduceerd door het combineren van twee of meer chemische elementen, vaak een combinatie van een metaal en een niet-metaal. “Dat is nogal een grote groep”, aldus Simons. “Je wilt dus eigenlijk van tevoren met eenvoudige testen al een selectie kunnen maken welk materiaal geschikt is voor een pantser, niet pas door erop te schieten.” Zo’n eenvoudige test is bijvoorbeeld een statische indrukkingsproef, waarbij een hard voorwerp in het materiaal geduwd wordt. “Daarmee zouden we in principe al iets moeten kunnen zeggen over hoe schade zich in het materiaal uitbreidt. Dat hangt weer samen met hoe goed het bestand is tegen dynamische belastingen zoals een inslag.”
Met de uitkomsten van zulke statische experimenten wil Simons de bestaande modellen voor dynamische belasting van keramiek verfijnen, omdat die verre van volledig zijn. “Als we die indrukproeven in een model nabootsen, zien we of dat overeenkomt met wat er in werkelijkheid gebeurt. Dat geeft ons weer informatie over hoe we een beter model kunnen bouwen. Als er zich bijvoorbeeld tijdens de proef bepaalde scheuren voordoen die de huidige modellen niet laten optreden, dan zou er een tekortkoming in het model kunnen zitten.” Het tweede deel van zijn onderzoek richt zich op de vraag welke fenomenen nog helemaal ontbreken in het model. “Er is nog veel waarvan we nog niet weten hoe het zich op microstructuur afspeelt.” Simons is dan vooral geïnteresseerd in de faalmechanismen. “Als je precies weet hoe en onder welke omstandigheden keramiek faalt, kun je dat gebruiken in het ontwerpen van je pantser. Je kunt dan optimaal gebruik maken van het keramische materiaal, resulterende in een lichter of sterker kogelwerend vest.”
Kristalstructuur
Keramiek bestaat op microniveau uit kristallen; onder invloed van krachten van buitenaf, zoals een inslag, zullen die gaan vervormen. Hoe de structuur precies gaat vervormen is afhankelijk van de spanningscondities in het materiaal tijdens de inslag, maar die zijn niet overal hetzelfde. “Er zijn gebieden waar het materiaal op trek wordt belast, en gebieden waar het onder hele hoge druk staat. Hoe het materiaal daar reageert en welke processen er optreden, verschilt nogal”, legt Simons uit. “Onder trek – of onder afschuiving – zullen zich scheuren vormen tussen de kristallen. Maar onder hogere druk treedt die scheurvorming niet of nauwelijks op. In plaats daarvan vervormen de kristallen plastisch, iets dat totaal niet als bros gedrag kan worden omschreven. Onder de juiste spanningscondities en bij voldoende vervorming kan die plastische vervorming van de kristallen uiteindelijk wel tot scheurvorming leiden.”
Diamant
Simons’ ultieme doel is om al deze processen en fenomenen op de juiste manier in het materiaalmodel te verwerken. Om te beginnen voor alumina (aluminiumoxide), dat nu veel gebruikt wordt. “Dat is een hele harde substantie, dus als je erop schiet, zal het projectiel hevig vervormen en in het gunstigste geval zelfs verbrijzelen op het pantser. Het keramiek zelf zou daarbij ook kapot kunnen gaan, maar dat is van minder belang zolang het projectiel zijn energie maar verliest.” Een ander materiaal dat veel wordt gebruikt is boriumcarbide, een substantie die bijna zo hard is als diamant. Simons hoopt een generiek model te kunnen maken, waar dat ook inpast. “Zolang de fenomenen die optreden hetzelfde zijn, kun je zo’n model dan ook voor andere pantserkeramieken gebruiken en hoef je alleen de materiaalparameters aan te passen.” Al zijn niet alle soorten keramiek even bruikbaar, denkt hij. “Je kunt wel iets exotisch bedenken met titanium erin. Dat kan ook best werken om een projectiel te stoppen, maar voldoet niet aan de bijkomende factoren” Die bijkomende factoren houden in dat het materiaal liefst niet te duur, goed voorradig en makkelijk te verwerken moet zijn.
Voorlopig genoeg werk aan de winkel voor Simons, die nu zo’n anderhalf jaar bezig is. De beslissing over wat hij na zijn promotie gaat doen, stelt hij dus liever nog even uit. “Ik zie wel een academische toekomst voor me, maar misschien denk ik daar over 2,5 jaar anders over. “ Toch zit hij bij de TU Delft zeker op zijn plek. “Ik had altijd wat met bèta en techniek. Ik wilde als jongetje uitvinder worden, dus zo heel ver daarvan ben ik niet geëindigd.” Iets wat er ook al jong inzat bij Simons is zwemmen. Dat doet hij op hoog niveau. “Ik doe mee aan de Nederlandse kampioenschappen”, vertelt hij. “Daar win ik geen medailles, maar ik kan aardig meekomen in vergelijking met mensen die fulltime met zwemmen bezig zijn.” Het is ook een goede manier om te ontspannen. “Ik ga altijd ’s ochtends zwemmen en ik merk dat als ik dat niet doe, ik dan de rest van de dag minder energie heb.”
En hoe zit dat nu met dat kevlar? “Kevlar en andere aramiden zijn vezels die worden verwerkt tot textiel, dat werkt als een soort vangnet”, legt hij uit. “Dat functioneert echter alleen als er voldoende remweg is. Voor kleine projectielen met lage energie zal de remweg zodanig zijn dat het projectiel binnen het vest tot stilstand komt. Maar vaak houd je er als drager wel blauwe plekken en bloeduitstortingen aan over.” Voor grotere projectielen is zoiets zeker niet geschikt. “Een groter projectiel heeft een hogere massa en een hogere snelheid, beide zorgen voor meer energie van het projectiel en dus een langere remweg. Het vest remt in dat geval het projectiel onvoldoende af en de kogel kan door het vest heen gaan of het kan zelfs zo zijn dat het projectiel het doelwit binnendringt en het pantser daarbij meeneemt.”
Het ligt er dus wel aan om wat voor bedreiging het gaat. Een handpistool is iets heel anders dan een AK47. Dat geldt voor elke toepassing van bepantsering. “In principe kun je alles tegen alles bepantseren, maar dan eindig je met een bunker. Een tank is goed bepantserd, maar niks voor snel vervoer. Het gaat altijd om een afweging tussen bescherming en mobiliteit.” Een belangrijk voordeel van keramiek is het relatief lage gewicht. Dat maakt het vooral geschikt voor situaties waar die mobiliteit belangrijk is. Het duidelijkste voorbeeld is dan het kogelwerende vest. “Het wordt ook nog wel eens gebruikt om satellieten te beschermen tegen rondvliegende stofdeeltjes”, aldus Simons. “En ik denk dat er in de auto van Obama ook wel een laagje keramiek zit.”
Gepubliceerd: mei 2016
