Shock impacto of silicon doped-boron carbide powders

Abstract

This research is integrated in a line of investigation currently in progress which aims to improve the performance of the boron carbide (B4C) as a ballistic armour material. In this regard a successful attempt to dope the boron carbide with silicon was done. The specific goal of the project is to determine the Hugoniot parameters of uniaxially pressed B4C-Si system. The ceramic material, containing 7%at.Si, was synthesized by Mechanical Allowing (MA) from commercially available Si and B4C powders in order to obtain a metastable B4(C,Si) solid solution. All samples were 7.5 mm in diameter with approximately 1mm thickness and presented theoretical maximum density (TMD) close to 60%. For this purpose, a special die, to optimize the specimen geometry for the launcher, were projected. The shock behavior of the B4C-7Si system was done by impact conditions using a gas gun available at the Institute Physics of Shock, Imperial College London. Three plate impact experiments, in the velocities range from 300 to 700 m/s, were conducted and the respective shocked Hugoniot states in the Us-up and p-ν planes were obtained. When the B4C-7Si material was shocked a steady shock wave was generated, which propagates at a velocity ranging from 3150 to 3900 m/s and transfers energy into particles which moves at velocities between 245 and 470 m/s after its passage. The experimental results were compared to those theoretically predicted from Plate Gap and Gruneisen models for porous materials.

O presente estudo está integrado numa linha de investigação que visa incrementar a performance do carboneto de boro (B4C) como material para proteção balística. Para o efeito, foi produzido um material monolítico a partir de B4C dopado com silício. É objetivo deste trabalho determinar os parâmetros de Hugoniot do sistema B4C-Si após prensagem uniaxial. O material cerâmico, contendo 7%at.Si, foi obtido por Síntese Mecânica, a partir de pós de Si e de B4C comercialmente disponíveis, de forma a obter-se uma solução sólida metaestável do tipo B4(C,Si). As amostras produzidas possuíam 7,5mm de diâmetro e aproximadamente 1mm de espessura, correspondendo a um valor de densidade teórica máxima de 60%. Foi projetado e fabricado um molde especial para otimizar a geometria das amostras. O comportamento ao choque do sistema B4C-7Si foi efetuado em condições de impacto plano, recorrendo a uma arma de gás disponível no Institute of Shock Physics, Imperial College London. Foram realizadas três experiências de impacto, com velocidades na gama 300 - 700 m/s, que permitiram caracterizar a propagação das ondas de choque no material estabelecendo a chamada relação de Hugoniot nos planos Us-up e p-v. O sistema B4C-7Si sujeito a impacto, gera uma onda de choque constante que se propaga a uma velocidade entre 3150 e 3900 m/s e a correspondente energia transferida após passagem promove uma velocidade de partículas na gama 245 a 470 m/s. Os resultados experimentais foram comparados com os teoricamente previstos para materiais porosos recorrendo aos modelos de Plate Gap e de Gruneisen.