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防弹界的“绝代双骄”——陶瓷材料

2024-10-22 19:57:15

在大家的印象里，陶瓷是易碎品。但经过现代科技加工后，陶瓷“摇身一变”，成为了一种坚硬、高强度的新材料，尤其是在对材料有特殊物理性能要求的防弹领域，陶瓷更是大放异彩，成为非常热门的防弹材料。

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 陶瓷材料的防弹原理 

装甲防护的基本原理是消耗射弹能量、使射弹减速并达到无害。绝大部分传统的工程材料，如金属材料通过结构发生塑性变形来吸收能量，而陶瓷材料则是通过微破碎过程吸收能量。
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防弹陶瓷的吸能过程大致可分为3个阶段：
（1）初始撞击阶段：弹丸撞击陶瓷表面，使弹头变钝，在陶瓷表面粉碎形成细小且坚硬的碎块区的过程中吸收能量；
（2）侵蚀阶段：变钝的弹丸继续侵蚀碎块区，形成连续的陶瓷碎片层；
（3）变形、裂缝和断裂阶段：最后陶瓷中产生张应力使陶瓷碎裂，随后背板变形，剩余的能量全部由背板材料的变形所吸收。弹丸撞击陶瓷的过程中，弹丸和陶瓷均受到破坏。

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 防弹陶瓷对材料性能的要求 

因为陶瓷本身的脆性，其受到弹丸冲击时发生断裂而不是塑性变形。在拉伸载荷作用下，断裂首先发生在非均质处如孔隙和晶界上。因此，为使微观应力集中降低到最小程度，装甲陶瓷应当是孔隙率低（达理论密度值的99%）和细晶粒结构的高质量陶瓷。

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材料性能及其对防弹性能的影响

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 最常用的防弹陶瓷材料 

自21世纪以来，防弹陶瓷发展迅速，种类较多，包括氧化铝、碳化硅、碳化硼、氮化硅、硼化钛等，其中以氧化铝陶瓷(Al₂O₃)、碳化硅陶瓷(SiC)、碳化硼陶瓷(B4C)应用最广。
  • 氧化铝陶瓷密度最高，但硬度相对较低，加工门槛较低，价格较低，依据纯度分为85／90／95／99氧化铝陶瓷，相应的硬度和价格也依次增高。

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不同防弹陶瓷材料性能对比
  • 碳化硅陶瓷密度相对较低，硬度较高，属于性价比较高的结构陶瓷，因此也是目前国内应用最广的防弹陶瓷。
  • 碳化硼陶瓷在这几种陶瓷中密度最低，硬度最高，但同时其对加工工艺的要求也很高，需要高温高压烧结，因而成本也是这3种陶瓷中最高的。
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比较这三种较为常见的防弹陶瓷材料，氧化铝防弹陶瓷的成本最低但防弹性能远不如碳化硅与碳化硼，因此目前国内关于防弹陶瓷的的生产单位中碳化硅和碳化硼防弹居多，而氧化铝陶瓷则很少见。但是单晶氧化铝却可以用来制备透明陶瓷，被广泛用作光功能透明材料，在单兵防弹面罩、导弹探测窗口、车辆观察窗、潜艇潜望镜等军事装备上加以应用。

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 最受欢迎的两种防弹陶瓷材料 

 碳化硅防弹陶瓷 
碳化硅共价键极强，在高温下仍具有高强度的键合，这种结构特点赋予了碳化硅陶瓷优异的强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、高热导率、良好的抗热震性等性能；同时碳化硅陶瓷价格适中，性价比高，是最有发展潜力的高性能装甲防护材料之一。
碳化硅陶瓷在装甲防护领域具有广阔的发展空间，在单兵装备和特种车辆等领域的应用趋于多元化。作为防护装甲材料时，考虑到成本及特殊应用场合等因素，通常将小块排布的陶瓷面板与复合材料背板黏结成陶瓷复合靶板，以克服陶瓷由于拉应力引起的失效，并确保弹丸侵彻时只粉碎单块而不破坏装甲整体。
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 碳化硼防弹陶瓷 

碳化硼是目前已知材料中硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的超硬材料，硬度高达3000kg/mm²；密度低，仅为2.52g/cm³，是钢铁的1/3；弹性模量高，为450GPa；熔点高，约为2447℃；其热膨胀系数低，导热率较高。此外，碳化硼具有很好的化学稳定性，耐酸耐碱腐蚀，在常温下不与酸碱及大多数无机化合物液体反应，仅在氢氟酸-硫酸、氢氟酸-硝酸混合液中有缓慢的腐蚀；且与大多数熔融金属不润湿、不发生作用。碳化硼还具有很好的吸收中子能力，这是其它陶瓷材料不具备的。B4C的密度在几种常用装甲陶瓷中最低，加上弹性模量较高，使其成为军事装甲和空间领域材料方面的良好选择。B4C存在的主要问题是价格昂贵（是氧化铝的10倍左右）、脆性较大，限制了其作为单相防护装甲的广泛应用。

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 防弹陶瓷的制备方法 

从陶瓷材料制备工艺的特点可以看出，目前工艺发展较为成熟的是反应烧结、无压烧结和液相烧结，这3种烧结方式的生产成本较低，制备工艺较简单，实现大批量生产的可能性较高。热压烧结和热等静压烧结相对来说会受到产品尺寸的限制，生产成本较高，成熟性较低。超高压烧结、微波烧结、放电等离子烧结和等离子束熔融法综合来说成熟性最低，是较为新颖的制备手段，但对于技术和设备的要求较高，需要投入的生产费用高，实现批量化的可行性较低，常用于实验探索阶段，对实际应用意义不大，较难实现产业化。

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典型防弹陶瓷的制备工艺

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 防弹陶瓷的升级 

尽管碳化硅与碳化硼的防弹潜力非常大，但单相陶瓷断裂韧性、脆性差的问题却不容忽视。而现代科技的发展对防弹陶瓷的功能性与经济性提出了要求：多功能、高性能、轻质、低成本和安全性。因此，专家学者们近年来希望通过微观调节包括多元陶瓷体系复合、功能梯度陶瓷、层状结构设计等来实现陶瓷的强韧化、轻量化和经济化，并且这样的护甲相对于如今的装甲重量轻，更好地提高了作战单位的机动性能。
功能梯度陶瓷即通过微观设计组分材料性能呈规律性变化。比如硼化钛与金属钛以及氧化铝、碳化硅、碳化硼、氮化硅与金属铝等金属/陶瓷复合体系，性能沿厚度位置呈梯度变化，即制备出从高硬度过渡到高韧性防弹陶瓷。
纳米复相陶瓷是将亚微米级或纳米级分散粒子添加到基体陶瓷中构成的复相陶瓷。如SiC-Si3N4-Al2O3、B4C-SiC等，对陶瓷的硬度、韧性和强度有一定的提高。据报道，西方国家正在研究将纳米级粉体烧结制备出晶粒尺寸几十纳米的陶瓷，实现材料强韧化，防弹陶瓷有望在这方面实现大的突破。

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 总结 

不管是单相陶瓷还是复相陶瓷，最优良的防弹陶瓷材料还是离不开碳化硅、碳化硼这两种材料。尤其是碳化硼材料，随着烧结技术的发展，碳化硼陶瓷的优异性越来越突出，在防弹领域的应用会被进一步开发。