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CAC2025 广州先进陶瓷论坛暨(ji)展(zhan)览会(hui)

2025年5月26-28日 美丽豪酒店（广州番禺店）

距离展会还(hai)有(you)
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2024年6月13-15日 广州保利世贸博览馆2号馆

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防弹透明窗口材料，蓝宝石、镁铝尖晶石、氮氧化铝谁是首选？
日期：2022-04-12    浏览次数：次
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近些年(nian)，科技的(de)(de)(de)快速(su)发展(zhan)我们(men)每(mei)个人都是(shi)深有体(ti)会的(de)(de)(de)，最直观的(de)(de)(de)就是(shi)电(dian)子产品的(de)(de)(de)更新速(su)度。同样的(de)(de)(de)，武器装备也在(zai)不断(duan)升级(ji)，在(zai)装甲(jia)车观瞄探(tan)测的光学(xue)窗口(kou)增设具(ju)有(you)光学(xue)透(tou)明(ming)性、防子弹、炮弹碎片与(yu)岩石碎片冲击的透(tou)明(ming)装甲(jia)，可以大幅度提高车内人员的(de)安全(quan)。

装甲车

装甲(jia)车

传(chuan)统(tong)(tong)以(yi)防弹(dan)玻璃(li)为(wei)主的(de)透明装甲(jia)已难以(yi)满(man)足使用要求，这是(shi)由于传(chuan)统(tong)(tong)防弹(dan)玻璃(li)需大幅度(du)增(zeng)加(jia)装甲(jia)厚(hou)度(du)，才能抵御大口径步枪子弹(dan)的(de)攻击(ji)，但(dan)是(shi)增(zeng)加(jia)厚(hou)度(du)会带来(lai)一系列影(ying)响：增(zeng)加(jia)载具自重(zhong)、降低机动性、压缩舱内空间、损(sun)失光学(xue)性能。因此，新型(xing)防弹(dan)装甲(jia)材料需(xu)要有高抗弹性、轻质、透明(ming)等特(te)性。

新型透明防弹装甲结构是由三个功能层组成：

1. 迎弹面层通(tong)常(chang)由玻(bo)璃(li)、玻(bo)璃(li)陶瓷(ci)(ci)或透(tou)明(ming)陶瓷(ci)(ci)制(zhi)成，用(yong)于使弹丸钝化、损(sun)伤(shang)、碎裂(lie)；

2. 中间层(ceng)由玻璃或聚甲(jia)基丙烯酸(suan)甲(jia)酯（PMMA）构成(cheng)，用于能量吸收(shou)、止(zhi)裂、缓(huan)解热膨胀(zhang)错配(pei)；

3. 背弹面层通常(chang)选择聚碳酸酯(zhi)（PC），用于防(fang)碎片(pian)飞溅。

此外还有各层(ceng)之间的黏结层(ceng)（用于连(lian)接系统并(bing)提供(gong)多次撞击阻力）。

新型三层功能结构透明防弹装甲示意图

新型(xing)三层功能结构透(tou)明(ming)防弹装甲示意图

迎弹(dan)面是整个(ge)透(tou)明防弹(dan)装甲系统的核心。目(mu)前(qian)，迎弹面(mian)层(ceng)使用的蓝(lan)宝石、镁铝尖晶(jing)石、氮氧化铝（AlON）材料表现(xian)出优异(yi)的光学(xue)性能和机(ji)械性能，在紫(zi)外(wai)(wai)、可见(jian)光、和近红外(wai)(wai)波段具有良好直线透(tou)过率（超过80%），可用于红外/可见光透明装甲窗口。

蓝宝石、镁铝尖晶石、氮氧化铝材料简介(jie)

1.蓝宝石

蓝宝石(shi)的(de)主要成分为Al2O3，属于α-Al2O3变(bian)体，它的莫氏硬度为9，仅次于金刚石。蓝宝石材料(liao)是目前应(ying)用最(zui)(zui)普遍的透明(ming)装甲用材料(liao)，最(zui)(zui)主要的原(yuan)因是蓝(lan)宝石比镁铝尖晶石、氮氧化(hua)铝材料的技术研究更(geng)成熟，有广(guang)泛(fan)的商业(ye)化(hua)产(chan)品选择(ze)。目(mu)前大多(duo)数尖(jian)晶石透明陶(tao)瓷(ci)的核心问题(ti)是难以获得高质(zhi)量的原料粉体，商业粉末又存在不够纯净或颗(ke)粒尺寸(cun)过(guo)大/过细等问题，相比较之(zhi)下，蓝宝石所(suo)需(xu)的单晶制备技术可(ke)避免原(yuan)料(liao)因素的影响。此外，蓝宝石(shi)的静态硬(ying)度、抗弯强度和杨氏模量均(jun)高于多晶(jing)镁铝(lv)尖(jian)晶(jing)石和(he)AlON，具有高化学(xue)抗性等特点。

蓝宝石板

蓝宝(bao)石板(ban)

但是(shi)，蓝宝石的制备(bei)成本很(hen)高，这是由于蓝(lan)宝(bao)石需要较高的(de)(de)加工(gong)温度以及(ji)繁琐的(de)(de)工(gong)艺。单晶泡生(sheng)法(fa)和直拉法(fa)制得的(de)(de)蓝(lan)宝(bao)石为了满足(zu)光(guang)学需求(qiu)均需要大量的(de)(de)后处理(li)，会导致原料(liao)利用率低(di)；导模法(fa)（EFG）可以实现单曲平板制备，提高了原料利用率，但是需要大量钨钼原件，成本高昂，批次稳定性不高。此外，由于单晶生长内应力大，易发生不规则脆性开裂和解理裂纹，影响后期层合及装配。

2.多晶镁铝尖晶石

多晶(jing)(jing)镁(mei)铝尖(jian)晶(jing)(jing)石是MgO-Al2O3系统中唯(wei)一的中间化合物。多(duo)晶镁铝(lv)尖晶石因为光学性(xing)能、高速(su)冲击抗(kang)力和生产(chan)成本之(zhi)间的平(ping)衡(heng)，可以(yi)认(ren)为是最具(ju)前途的装甲迎弹面材料(liao)之一。与蓝(lan)宝石及AlON相比，多晶镁铝尖晶石在中红(hong)外波段具(ju)有更高的(de)透光率(lv)和(he)红(hong)外吸收边(bian)，对于搭(da)载(zai)有(you)红外探(tan)测设(she)备的载(zai)具，具有(you)更好的适(shi)用性；同时(shi)，具有(you)与另外两种(zhong)材料相(xiang)似(si)的抗高速冲击性能。除(chu)此(ci)之(zhi)外，镁铝尖(jian)晶石密(mi)度较低，可实现大尺寸(cun)成型制(zhi)备。

热处理后的镁铝尖晶石透明陶瓷

热处(chu)理后(hou)的镁铝(lv)尖晶石透(tou)明陶(tao)瓷

多晶镁(mei)铝(lv)尖晶石的原料粉末可以通(tong)过机械(xie)合金化、固相烧(shao)结、溶胶(jiao)－凝胶(jiao)、水热法(fa)、共(gong)沉淀和化学气相沉积等多种方(fang)式获(huo)得(de)，不同合成(cheng)方(fang)法(fa)决定了原料粉体(ti)的性能。但是，镁(mei)铝尖晶石粉末的(de)化(hua)学计量比、杂质、粒径和(he)团聚体(ti)的(de)缺陷无(wu)法通过调整工艺参数来改(gai)善。杂质不仅(jin)会影(ying)响镁(mei)铝(lv)尖(jian)晶石的光学性能，同时(shi)会改变界(jie)面能和晶界(jie)迁移速率，进(jin)而影(ying)响微观结构、硬度以及高速冲击抗力。适量的LiF烧结助剂可减少透明镁铝尖晶石中的杂质，但是(shi)会(hui)造(zao)成材料(liao)脆化，断裂形式从穿晶断裂转变(bian)为沿晶断裂，降低材料(liao)的高速冲(chong)击抗力(li)。

多(duo)晶(jing)镁铝尖晶(jing)石的(de)烧结也是一个亟须解决的(de)问(wen)题，这(zhei)是因为：Mg或MgO的挥发导致产生化学计量比变化（MgO的蒸气压是Al2O3的103倍）及梯度；晶粒具有较高粗化倾向；低氧晶格扩散速率要求较高烧结温度。目前透明多晶镁铝尖晶石是通过无压烧结/热等静压或热压烧结/热等静压烧结的，这些工艺制造成本很(hen)高，很(hen)难生(sheng)产大型板(ban)材(cai)。热压(ya)烧结(jie)相比于无压(ya)烧结(jie)，提高了(le)烧(shao)结驱动力，降低(di)了裂(lie)纹(wen)、翘曲等风险。无压(ya)(ya)或热(re)压(ya)(ya)后的热(re)等静压(ya)(ya)处(chu)理是必须的，这一过程可以(yi)进一步降低(di)孔(kong)隙率而提(ti)高(gao)透明(ming)性(xing)。放电等离子(zi)烧(shao)结（SPS）是近些年研究的热点。SPS方法可以显著降低烧结所需温度，并提高产品力学和光学性能。然而，目前采用SPS工艺同样无法实现大尺寸板材的制备，尺寸增加后，SPS存在的温度梯度会导致样品加热不均，导致透光率损失等问题。

3.氮(dan)氧化铝(lv)

氮氧化铝（γ-AlON，简称AlON）是(shi)Al2O3-AlN二元体(ti)系中的一种固溶体(ti)物相，它是一种透明(ming)多晶陶瓷，其(qi)光学性能与蓝宝石(shi)、尖(jian)晶石(shi)相当，抗(kang)弯强度接近蓝宝石(shi)，明显高(gao)于尖(jian)晶石(shi)。它(ta)可以通过先进(jin)陶瓷(ci)制备方法实现(xian)大尺寸及复(fu)杂形(xing)状的(de)(de)产品的(de)(de)制(zhi)备，因而AlON是导弹整流罩、红(hong)外(wai)窗(chuang)口材(cai)(cai)料和防弹装(zhuang)甲材(cai)(cai)料的(de)优选材(cai)(cai)料。

AlON陶瓷(ci)制备方法

AlON陶瓷的制备方法可(ke)以分为一(yi)步法和两步法两种。一(yi)步法一(yi)般是将原料粉末混合(he)后(hou)经成型、烧结得到AlON陶瓷。两步法是经粉体合成和陶瓷制备两步，首先制备(bei)高纯(chun)、单相的AlON粉末，然后通过成型和烧结得到AlON陶瓷。两步法制备的透明(ming)AlON陶瓷，制备工艺相对复杂，成本相对较高，但最大的优点是制备的陶瓷致密度较高，是目前透明AlON陶瓷研究和应用的主要制备方法。

AlON透明陶瓷防弹装甲与玻璃防弹装甲防弹性能方面的对比

AlON透明陶瓷防弹装(zhuang)(zhuang)甲与玻璃防弹装(zhuang)(zhuang)甲防弹性能方面的对(dui)比

虽然在(zai)过(guo)去几十(shi)年，制备(bei)手段获(huo)得长足进(jin)步(bu)，但是(shi)在(zai)大(da)规模制备(bei)过(guo)程中仍存在一些困难，首(shou)先是干燥过程会出现收缩现象，在生(sheng)坯内部生(sheng)成裂(lie)纹；其次，大尺寸AlON的烧结也会因温度不均匀产生微观结构的不均匀，进而导致应力双折射现象。

透明防弹装甲面临(lin)的挑(tiao)战

1.透明防弹装(zhuang)甲(jia)面临的最(zui)首要的问题(ti)是单(dan)块(kuai)透(tou)明(ming)板材(cai)的尺寸基(ji)本(ben)无法满足实(shi)际(ji)使用要求，这就需要对其进行(xing)拼(pin)接(jie)。截止目前(qian)，应用比较(jiao)广泛(fan)的(de)方法有玻璃粘(zhan)接(jie)、活泼金属(shu)钎(qian)焊、瞬间液相连接(jie)等。

2.透明防弹(dan)装甲面临的另一个问题是(shi)无法(fa)做出复杂(za)形状装甲，目(mu)前绝大多数装甲仍(reng)是平(ping)板(ban)状，限制(zhi)了(le)载具的(de)(de)设计。多晶陶瓷制(zhi)备(bei)技术的(de)(de)进步(bu)可(ke)以在(zai)一定程(cheng)度上(shang)解决这一难题，但(dan)是仍(reng)存在曲面陶瓷与(yu)玻璃及有机材料(liao)形状匹配，边(bian)缘设(she)计(ji)与(yu)装配等一系列问题。

总的来说(shuo)，蓝宝石材料是目(mu)前工艺(yi)最为(wei)成(cheng)熟(shu)的迎弹面材料，但是其制造成(cheng)本很高，批次稳定性较差。多晶陶瓷材料(liao)，如(ru)镁(mei)铝尖晶石和(he)氮(dan)氧化(hua)铝，具备(bei)生产更大尺寸样(yang)品(pin)的可能(neng)性，但是制约(yue)其发展的主要原(yuan)因是难(nan)以获得高质量原(yuan)料粉体的制备和烧结工艺问题。正如蓝宝石优(you)秀(xiu)的力学性(xing)(xing)能无法代(dai)表最好的防弹性(xing)(xing)能，透明装(zhuang)甲作为一(yi)个功能性(xing)(xing)的系统，并不是每(mei)种组成材料(liao)的性(xing)(xing)能的简(jian)单堆砌，需要各组件(jian)间相互协(xie)调才能发挥每(mei)种材料(liao)的最佳(jia)性(xing)(xing)能。

 

参考资料：

1. 刘(liu)家希，石晓东，姜(jiang)良宝等(deng)。陶瓷基透(tou)明防弹装甲研究进展（中(zhong)国(guo)航发北京航空材料研究院(yuan)）。

2. 吴点宇，李(li)鑫，张小刚等。观察(cha)探测装置用透明装甲材料(liao)的(de)设计研(yan)究（中国电子(zi)科技集团(tuan)公司第 33 研(yan)究所）

 

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