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邹小姐：13326633089 -
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近些年，科技的(de)(de)快速发(fa)展我(wo)们每个人都是深有体会的(de)(de)，最直观的(de)(de)就是电子(zi)产品的(de)(de)更新速度。同样的(de)(de)，武器装备也在(zai)不断升级(ji)，在(zai)装甲车观瞄探(tan)测(ce)的光学(xue)窗口增设具有光学(xue)透明性、防子弹(dan)、炮(pao)弹(dan)碎片与(yu)岩(yan)石(shi)碎片冲(chong)击的透明装甲，可以大幅度提高车内人员的安全。
装甲车
传统以(yi)防弹(dan)玻(bo)璃(li)为主的透明装(zhuang)(zhuang)甲已难(nan)以(yi)满(man)足使用(yong)要求，这是(shi)由于传统防弹(dan)玻(bo)璃(li)需大幅度增(zeng)加(jia)装(zhuang)(zhuang)甲厚(hou)度，才能抵御大口(kou)径步枪子弹(dan)的攻(gong)击(ji)，但是(shi)增(zeng)加(jia)厚(hou)度会带来一(yi)系列影响：增(zeng)加(jia)载具自重、降低机动性(xing)、压(ya)缩舱(cang)内空间、损失(shi)光(guang)学性(xing)能。因此，新型防弹(dan)装(zhuang)(zhuang)甲材料需要有高抗弹性、轻质、透明等特(te)性。
新型透明防弹装甲结构(gou)是由三个(ge)功能层组成：
1. 迎弹面层通常由玻璃(li)、玻璃(li)陶瓷(ci)或透(tou)明(ming)陶瓷(ci)制成，用于使弹丸钝(dun)化、损(sun)伤(shang)、碎裂；
2. 中间层由玻(bo)璃或聚甲基丙(bing)烯酸甲酯（PMMA）构成，用于能量吸收(shou)、止裂(lie)、缓解热膨胀错(cuo)配；
3. 背(bei)弹面(mian)层通常选择(ze)聚碳酸酯（PC），用于防碎片(pian)飞溅。
此外还有各(ge)层之间的(de)黏结(jie)层（用于连(lian)接(jie)系统并提供多次撞(zhuang)击阻(zu)力）。
新型三层功(gong)能结(jie)构透明防弹(dan)装甲示意(yi)图
迎弹面是整个透(tou)明(ming)防弹装甲系统的(de)核心。目前(qian)，迎弹面层使用的蓝宝石、镁铝(lv)尖晶(jing)石、氮氧化铝(lv)（AlON）材料表现出优异的(de)光(guang)学性(xing)能和机械性(xing)能，在紫(zi)外、可(ke)见(jian)光(guang)、和近红外波段具有良好直线透过(guo)(guo)率（超过(guo)(guo)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
1.蓝宝(bao)石
蓝宝石的主要(yao)成(cheng)分为Al2O3，属于α-Al2O3变体，它的莫氏硬度为9，仅次于金刚石。蓝宝石材料是(shi)目前应用最普(pu)遍的(de)透明装甲用材料，最主要的(de)原因是蓝宝(bao)石比镁铝(lv)尖(jian)晶石、氮氧(yang)化(hua)铝(lv)材(cai)料的(de)技术(shu)研究更成熟，有广泛的商业化产品(pin)选择。目前大多数(shu)尖(jian)晶石透明陶(tao)瓷的核心问题是难以获(huo)得(de)高质量(liang)的原(yuan)料粉体，商业(ye)粉末又(you)存(cun)在(zai)不够纯净(jing)或颗粒尺寸过大/过细等问题，相比较之下，蓝宝石所需的单晶制备技术可避免原料因素的影响。此外，蓝宝石的静态硬度、抗弯强度和(he)杨氏模量均高于(yu)多晶镁铝尖晶石和AlON，具有高化学抗性等特点。
蓝宝石板
但是，蓝宝石的制(zhi)备成本很高，这是(shi)由于蓝宝石(shi)需要较高(gao)的加工(gong)温度以及繁琐的工(gong)艺。单晶(jing)泡(pao)生(sheng)法和直拉(la)法制得的蓝宝石(shi)为(wei)了满足光学需求均需要大量的后(hou)处理(li)，会(hui)导(dao)致原料利用率低；导(dao)模法（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(jing)镁铝(lv)尖晶(jing)石(shi)
多晶镁铝尖晶石是MgO-Al2O3系统中唯一的中(zhong)间化合物(wu)。多晶(jing)(jing)镁铝尖晶(jing)(jing)石(shi)因为(wei)光学(xue)性能、高速冲击抗力和(he)生(sheng)产成(cheng)本(ben)之间(jian)的平衡，可以(yi)认为(wei)是最具前途的(de)装甲(jia)迎弹面材料之(zhi)一。与蓝宝石及AlON相比，多晶镁铝尖晶石在中红外波段具有更高的透光率和红外吸(xi)收(shou)边(bian)，对于(yu)搭载(zai)有(you)红外(wai)(wai)探测设备(bei)的载(zai)具(ju)，具(ju)有(you)更好(hao)的适用性；同时，具(ju)有(you)与另外(wai)(wai)两种(zhong)材料(liao)相似的抗(kang)高(gao)速冲击(ji)性能。除(chu)此之外(wai)(wai)，镁铝尖晶(jing)石密度较低(di)，可实现(xian)大(da)尺寸成型制(zhi)备。
热处(chu)理后的(de)镁铝尖晶(jing)石透(tou)明(ming)陶瓷(ci)
多晶(jing)镁(mei)铝尖晶(jing)石的原(yuan)(yuan)料粉末可以通过机械(xie)合金(jin)化、固(gu)相烧结、溶胶－凝胶、水(shui)热法、共(gong)沉淀和化学气相沉积等(deng)多种方式获得，不同合成(cheng)方法决(jue)定了原(yuan)(yuan)料粉体的性能。但(dan)是，镁铝尖晶石(shi)粉末的化学计量比、杂质、粒径(jing)和团聚体的缺陷无法(fa)通过(guo)调整工艺参(can)数来(lai)改善。杂(za)质不仅会影响镁铝尖晶石的(de)光学性能，同时会改变界面能和晶界迁移(yi)速率，进而影响微观结构、硬度(du)以及(ji)高(gao)速冲(chong)击抗力。适(shi)量的LiF烧结助剂可(ke)减少透明镁铝尖晶石中的杂质，但是会(hui)造成材(cai)料脆化，断裂形(xing)式从穿晶断裂转变为(wei)沿(yan)晶断裂，降低材(cai)料的高速冲击抗(kang)力。
多晶镁铝尖晶石的烧结(jie)也(ye)是一个亟须解决的问(wen)题，这(zhei)是因为(wei)：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高，很难生产大型板材(cai)。热压(ya)(ya)烧结相比于无压(ya)(ya)烧结，提(ti)高了烧结驱动(dong)力，降低了(le)裂纹、翘曲(qu)等(deng)风险。无压或热压后的热等(deng)静压处(chu)理是必(bi)须的，这(zhei)一过程可以(yi)进一步(bu)降低孔隙(xi)率而提高透明性。放(fang)电等(deng)离(li)子烧结（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.氮氧化铝
氮氧化铝（γ-AlON，简称AlON）是Al2O3-AlN二元体系中的一种固溶体物相，它是一种(zhong)透明多晶陶瓷，其光学(xue)性能与(yu)蓝(lan)宝石、尖晶石相当，抗弯强度(du)接(jie)近蓝(lan)宝石，明显(xian)高于(yu)尖晶石。它可(ke)以通过(guo)先进陶瓷制备方(fang)法实现(xian)大尺寸及(ji)复杂形状的产品(pin)的制备，因而AlON是(shi)导弹整流罩、红外窗口材(cai)料(liao)和(he)防弹装甲材(cai)料(liao)的优选材(cai)料(liao)。
AlON陶瓷制备方法
AlON陶瓷的制备方法可(ke)以分(fen)为一步(bu)法(fa)和两(liang)步(bu)法(fa)两(liang)种。一步(bu)法(fa)一般是将(jiang)原料粉末混合后(hou)经成(cheng)型、烧结得到AlON陶瓷。两步法是经粉体合成和陶瓷制备两步，首先制备高纯、单相(xiang)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(ci)防(fang)弹装(zhuang)(zhuang)甲(jia)与玻璃防(fang)弹装(zhuang)(zhuang)甲(jia)防(fang)弹性能方面(mian)的对比
虽(sui)然在过去几十年，制(zhi)备手(shou)段获得长足(zu)进步，但是(shi)在大规模制(zhi)备过程中仍存在(zai)一些(xie)困难，首先(xian)是干燥过程会出(chu)现收(shou)缩(suo)现象，在(zai)生(sheng)坯内部(bu)生(sheng)成裂纹；其(qi)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(tou)明(ming)防弹装甲(jia)面临(lin)的挑(tiao)战(zhan)
1.透(tou)明(ming)防弹装甲面(mian)临的(de)最首要的(de)问题是单块透(tou)明(ming)板(ban)材(cai)的(de)尺寸基本无法满足实际使用要求，这就需要(yao)对其(qi)进行拼接。截止(zhi)目前，应用比较广泛的方法有玻(bo)璃粘接、活泼金属钎焊、瞬(shun)间液相连接等(deng)。
活泼金属钎(qian)焊在工(gong)业(ye)上应用最为广泛，主要采(cai)用Ti或其他活泼金属（例如Zr，Nb，Cr，Y等），这些金属与蓝宝石等润湿性良好，在800～900 ℃数分钟即可完成钎焊，优点是连接紧密，缺点是热膨胀系数匹配较差，在接缝处产生残余应力，工艺要求超高真空环境，所以成本较高。
瞬间液相(xiang)连接方法所需(xu)的温(wen)度(du)低，这是(shi)由于(yu)连接层采用(yong)多层结构，表现出(chu)优异的(de)耐高温(wen)性能；但(dan)是(shi)需要长时间(jian)保(bao)持才(cai)可消除连接层缺陷(xian)，因此生产(chan)周期长、工艺(yi)成本高，严重限制(zhi)了瞬间(jian)液相连接技术的(de)应用(yong)。
玻璃粘接方法是(shi)将多种玻璃（MgO、CaO、SiO2、TiO2、Al2O3等）形成物进(jin)行(xing)(xing)混合，作为填充材料(liao)进(jin)行(xing)(xing)烧结，该方法所需温度较低(di)，反应可以在(zai)非真空、非保护性(xing)气(qi)氛下进(jin)行(xing)(xing)，也(ye)是(shi)仅有(you)的能保持接缝透(tou)明的方法，是(shi)透(tou)明装甲(jia)材料(liao)焊接的最(zui)佳(jia)选(xuan)择(ze)，例如使用BaTiAl6O12激光焊接蓝宝石，粘接完成后(hou)仍可(ke)保持可(ke)见光波段(duan)80％的透光率。
2.透明防弹装甲面临的另一个问题是无法做(zuo)出复杂形(xing)状(zhuang)装甲，目前(qian)绝大多数装甲仍是平板状，限制了(le)载具(ju)的(de)设(she)计。多晶陶瓷(ci)制备技(ji)术的(de)进步可以在一(yi)(yi)定程度上解决这一(yi)(yi)难题，但是仍存(cun)在曲面陶瓷与(yu)玻(bo)璃及有机材(cai)料形状匹配，边(bian)缘设计与(yu)装配等一(yi)系列问题。
总的(de)来说，蓝宝石材(cai)料是(shi)目(mu)前工艺(yi)最为(wei)成熟的(de)迎(ying)弹面材(cai)料，但是(shi)其制造成本很高，批次稳(wen)定(ding)性(xing)较(jiao)差。多晶陶瓷(ci)材(cai)料(liao)，如镁铝尖(jian)晶(jing)石和氮氧(yang)化铝，具备生(sheng)产更大(da)尺寸样(yang)品的可能性，但是制约其发展的主要(yao)原因是难以获得高质量原料粉体的制(zhi)备和烧(shao)结工艺问题。正如(ru)蓝宝石优秀的(de)力(li)学性(xing)(xing)能(neng)无法代(dai)表最好的(de)防弹性(xing)(xing)能(neng)，透明装甲(jia)作为一个(ge)功能(neng)性(xing)(xing)的(de)系统，并不是每(mei)种(zhong)组成材料的(de)性(xing)(xing)能(neng)的(de)简单堆砌(qi)，需要各组件间(jian)相互协(xie)调才(cai)能(neng)发挥(hui)每(mei)种(zhong)材料的(de)最佳(jia)性(xing)(xing)能(neng)。
参考资料：
1. 刘家希，石晓(xiao)东，姜良宝等。陶瓷(ci)基透明防弹装甲研究进展(zhan)（中国航(hang)发北京航(hang)空材料研究院）。
2. 吴点宇，李鑫，张小(xiao)刚等。观察探测装(zhuang)置用透明(ming)装(zhuang)甲材料的设计(ji)研究（中国电子科技(ji)集(ji)团公司第(di) 33 研究所）
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