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陶瓷材料拥有许(xu)多极具吸引力的性能(neng)，包括高(gao)(gao)比刚度、高(gao)(gao)比强度和在许多环境下的化学惰性。同时，因(yin)其相对于金属的低密度﹑高(gao)硬度和高(gao)抗压(ya)强度，使其(qi)在(zai)装甲(jia)系统上的应用十分具有吸引力(li)，己成为一种(zhong)广泛(fan)应用(yong)于防弹衣、车辆和飞(fei)机(ji)等装备(bei)的防护(hu)装甲(jia)。国内外现(xian)阶段主要(yao)使用的特种防弹陶瓷有氧化铝、碳(tan)化硅、碳(tan)化硼，本文就这三种(zhong)材(cai)料在(zai)防弹(dan)装(zhuang)甲领(ling)域的应用展(zhan)开讨论。

装甲防(fang)护领(ling)域－装甲车

一、陶瓷材料的防弹(dan)原理

装(zhuang)甲防护的基(ji)本原理是消耗射(she)弹(dan)(dan)能量(liang)、使(shi)射(she)弹(dan)(dan)减速(su)并(bing)达到无害(hai)。绝(jue)大(da)部分传统的工程材料，如金属材(cai)料通过(guo)结构发生塑性变形来吸收能量，而(er)陶(tao)瓷材料则是通(tong)过微破碎过程吸收能量，装甲(jia)陶瓷的吸能过程(cheng)可(ke)分为3个阶(jie)段(duan)。

陶(tao)瓷(ci)材(cai)料防弹(dan)原理过程

其中(zhong)，陶瓷材料的抗弹(dan)性能主(zhu)要由以下(xia)三方面决定。

1）陶(tao)瓷(ci)材(cai)料的自身硬度(du)及抗压(ya)强(qiang)度(du)。

2）陶瓷的断裂韧性。

3）陶瓷的外观尺(chi)寸及适当的紧(jin)固方法。

二(er)、陶瓷材料(liao)简(jian)介

（1）氧化铝

氧化(hua)铝陶瓷是以高温氧化(hua)铝（α-Al₂O₃）为主晶相的一系(xi)列陶(tao)瓷(ci)材料，而α-Al₂O₃ 是(shi)自(zi)然界(jie)中(zhong)唯一存在的Al₂O₃ 变体，是所有变体中(zhong)结(jie)构(gou)最紧密、活性(xing)最低(di)、电化学性(xing)质最好的晶(jing)相，在(zai)(zai)所有温度下都能(neng)稳定存在(zai)(zai)。

α-Al₂O₃密堆积的结构示意图

氧(yang)化铝性能

优(you)点：作为防弹领域的第一代(dai)陶瓷(ci)，氧(yang)化(hua)铝不仅(jin)是所有氧化物当中强度最(zui)大(da)、硬度最(zui)高(gao)的(de)﹐同时还具有良好的抗(kang)氧化性和化学惰(duo)性以及成本低，容易(yi)获(huo)得(de)等优点。此外烧结(jie)制品因其(qi)表面光(guang)洁、尺寸(cun)稳(wen)定、价格低(di)廉，而被广泛(fan)应用于各类装甲车辆和军警(jing)防弹服等。

缺点：低弯曲强度和断裂韧性，抗热震性较低。此外，氧(yang)(yang)化铝(lv)的(de)性能变化很大，主要(yao)取决于工(gong)艺参数、杂(za)质含量、粒度(du)(du)和烧(shao)结温度(du)(du)。同时氧(yang)(yang)化铝(lv)的(de)密度(du)(du)高，不能满(man)足装甲领域向轻型化方向发展。

应用：

氧(yang)化(hua)铝陶瓷材料装甲防护应用

采用氧化铝陶瓷材料的T-64坦克

（2）碳化硅

SiC具(ju)有比较独(du)特的晶体(ti)结构(gou)。以四个(ge)碳(tan)原子(zi)中的(de)某一(yi)原子(zi)作(zuo)为中心，硅原子(zi)作(zuo)为配对原子(zi)将四个(ge)最外层(ceng)电(dian)子(zi)，选择其中一(yi)个(ge)电(dian)子(zi)与(yu)中心碳(tan)原子(zi)最外层(ceng)的(de)其中一(yi)个(ge)电(dian)子(zi)配对。依次循(xun)环操(cao)作(zuo)，其最终(zhong)结(jie)构(gou)相当(dang)于将硅(gui)－碳键(jian)组成的结构(gou)视(shi)为(wei)单一点阵，称为(wei)金刚(gang)石四面体结构(gou)，这类结构(gou)展(zhan)现了极高的硬(ying)度。同(tong)时此结构存(cun)在很强的共价键与(yu)很高的Si-C键能，从而使得碳化硅材料(liao)具备高模量值、高硬度和(he)高比(bi)强度的特性。

常(chang)见的三种 SiC晶(jing)体结构示意(yi)图

不同烧结工(gong)艺下(xia)碳(tan)化硅性能(neng)

优点：是应用最广泛的非氧化(hua)物陶(tao)瓷，硬度高，仅次于钻石、立方氮化硼(peng)和(he)碳化硼(peng)。由于(yu)其低密度和高硬度，这种(zhong)陶瓷非(fei)常适(shi)合弹道(dao)保护，同时在力学性能(neng)、密度性能(neng)和(he)弹道性能(neng)以及应用的成(cheng)本(ben)等方(fang)面都是氧(yang)化(hua)铝和(he)碳化(hua)硼之间的中(zhong)间地带。

应用(yong)：

碳化硅(gui)陶瓷材料装甲防护应(ying)用

采用碳化(hua)硅陶瓷材料的以色列梅卡瓦坦克(ke)和SA330美(mei)洲豹(bao)直升机(ji)

（3）碳化(hua)硼 

B₄C 晶(jing)体属于菱面体结构类型，其菱面体结(jie)构(gou)中，每个(ge)单位晶(jing)胞共(gong)含(han)有 15 个原子，其中12个原子（B₁₁C）构(gou)成(cheng)了二(er)十(shi)面体，形(xing)成(cheng)一(yi)(yi)(yi)个(ge)空间(jian)立(li)体结构(gou)，而剩下的(de)三(san)个(ge)原(yuan)子(zi)则相(xiang)(xiang)互组合构(gou)成(cheng)一(yi)(yi)(yi)个(ge) C-B-C 链(lian)。二(er)十(shi)面体通过共(gong)价键(jian)与C-B-C 链(lian)相(xiang)(xiang)连形(xing)成(cheng)一(yi)(yi)(yi)个(ge)较为稳定的(de)结构(gou)。同时其构成(cheng)元(yuan)素(su)碳(tan)元(yuan)素(su)和(he)硼元(yuan)素(su)性质和(he)原(yuan)子(zi)半径非常(chang)相似，造(zao)成(cheng) B₄C 拥有一些(xie)其他非氧化物没有的优异性能。

B₄C的晶体结构(gou)

不(bu)同烧结工艺下碳化(hua)硼性能

优点：近于恒定(ding)的高温硬度以及良好的力学性能(neng)，同时，密(mi)度在几(ji)种常用装甲(jia)陶瓷中最(zui)低，加上弹性模量较(jiao)高，使其成为军事装(zhuang)甲和空(kong)间领(ling)域材料方面的良好(hao)选择。

缺点：由于硼原子和(he)碳原子之间的(de)共价(jia)键(jian)的(de)高度共价(jia)性，其烧(shao)结性较差(cha)。因(yin)此，有必要使用(yong)非常接(jie)近材料熔点的高烧(shao)结(jie)(jie)温(wen)度。这些高温(wen)导(dao)致残余(yu)孔(kong)隙和(he)随后(hou)的晶粒间距，从而恶化材料的性(xing)能(neng)和(he)性(xing)能(neng)。因(yin)此，通常使用(yong)热(re)(re)压或(huo)热(re)(re)等静压烧(shao)结(jie)(jie)，这会(hui)导致(zhi)更高的制造成本(ben)。

应用：

碳化硼陶(tao)瓷(ci)材(cai)料装甲(jia)防护应用

(a)“拦截者(zhe)”防(fang)弹衣；(b)V-22鱼鹰倾(qing)转旋翼(yi)机(ji)；（c）德国(guo)豹式(shi)坦克

三(san)、防弹陶瓷(ci)的制备方法(fa)

从图12各制备(bei)工艺的特点可以发现，目前发展较为成熟的工艺是(shi)反应烧结、无压烧结和液相烧结，像热压(ya)烧(shao)结(jie)和热等(deng)静(jing)压(ya)烧(shao)结(jie)由于受到成熟(shu)性(xing)(xing)较低，生(sheng)产(chan)成本较高(gao)(gao)，产(chan)品尺(chi)寸的(de)(de)(de)限(xian)制(zhi)等(deng)缺(que)点而受限(xian)；对于超高(gao)(gao)压(ya)烧(shao)结(jie)、微波烧(shao)结(jie)、放电(dian)等(deng)离子(zi)烧(shao)结(jie)和等(deng)离子(zi)束熔融法这(zhei)几种制(zhi)备工艺，虽然是(shi)较为新颖的(de)(de)(de)制(zhi)备手(shou)段，但(dan)成熟(shu)性(xing)(xing)最低，同时对于技术(shu)和设(she)备的(de)(de)(de)要(yao)求较高(gao)(gao)，需(xu)要(yao)投入的(de)(de)(de)生(sheng)产(chan)费用高(gao)(gao)，实现批量化的(de)(de)(de)可(ke)行性(xing)(xing)较低，对实际应用意义不(bu)大。

各制备工艺特点

四、陶瓷(ci)大讨论

自21世纪以来，防弹陶瓷发(fa)展(zhan)迅速，其中以氧化铝陶瓷（Al₂O₃）、碳化硅陶瓷（SiC）、碳化硼(peng)陶瓷（B₄C）应用最广。由图(tu)12可以看出，这(zhei)3种陶(tao)瓷均为高(gao)弹性(xing)模量的材料(liao)，但断裂韧(ren)性(xing)普遍较(jiao)低，且碳(tan)化(hua)硅和碳(tan)化(hua)硼材料(liao)价格为氧化(hua)铝材料(liao)的近乎10倍。综合(he)前面各(ge)陶瓷(ci)材料的(de)优缺点，氧化(hua)铝(lv)由于密度最高，低弯(wan)曲强度和断(duan)裂(lie)韧(ren)性而受(shou)到了必(bi)要的(de)限制。但是(shi)价格低廉，工艺成熟仍然是(shi)其最大优势；碳(tan)化硼(peng)则存在制造成(cheng)本和原材料成(cheng)本高(gao)，同时抗多(duo)次打(da)击的效率(lv)低，但密度低是其显著(zhu)优点(dian)；对碳(tan)化硅而言，其在机械性能、密度和(he)防弹(dan)性能以及(ji)应用成本方面都介于氧(yang)化铝和(he)碳(tan)化硼之(zhi)间(jian)，性价比(bi)最(zui)高，因此(ci)已成为现有(you)最(zui)有(you)应用前(qian)途的防弹(dan)陶瓷材料之(zhi)一。

各防弹(dan)陶瓷的性能对(dui)比

总结

总(zong)体而言，防(fang)弹(dan)陶瓷需要考(kao)虑防弹(dan)性能、质量（面密度）、成本这3种因素，在不同的条件下，应(ying)根据不同的防(fang)护要求(qiu)，在防(fang)弹性(xing)能、质量(liang)以及(ji)成本(ben)之(zhi)间(jian)达到一(yi)种平衡，即在满(man)足防(fang)弹性(xing)能的前提(ti)下，使质量(liang)与成本(ben)更(geng)(geng)低(di)，才(cai)能更(geng)(geng)好地满(man)足需要。与此同时单相陶瓷(ci)断(duan)裂韧性(xing)、脆性(xing)差的问题(ti)也不容忽视。近(jin)年来专(zhuan)家学者们通过(guo)微(wei)观调节包括(kuo)多元(yuan)陶瓷(ci)体系(xi)复合(he)、功能梯度陶瓷(ci)、层状结构(gou)设计等来实现陶瓷(ci)的强韧化、轻量(liang)化和经济(ji)化，并且这样的护甲(jia)相对于如今的装甲(jia)重量(liang)轻，更(geng)(geng)好地提(ti)高了作战单位的机动性(xing)能。

 

参考文献：

1、防弹装甲(jia)中(zhong)的陶瓷(ci)材(cai)料(liao) 吴(wu)燕平

2、防弹陶瓷的烧结工艺及发展(zhan)现状   罗娟等

3、碳化(hua)硅抗弹陶瓷的(de)研究(jiu)进展及在装甲防护领域的(de)应(ying)用 魏汝斌等

4、碳化硼陶(tao)瓷的烧结与应用新进展  杨亮亮等

5、Review of ballistic performance of alumina: Comparison of alumina withsilicon carbide and boron carbide  M.S.Boldin

 

 

作者：晴天(tian)