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陶瓷材料拥有许多(duo)极具吸(xi)引力(li)的性能(neng)，包括高比刚度(du)、高比强度(du)和(he)在许多(duo)环境下的化学(xue)惰性。同(tong)时，因其相对于金属的低(di)密度(du)﹑高(gao)硬(ying)度(du)和(he)高(gao)抗压强度(du)，使(shi)其在(zai)装甲系统上(shang)的应用十分具有吸引(yin)力，己成(cheng)为(wei)一种广泛应用于防弹衣、车辆和飞机等装备的防护装甲。国内(nei)外现阶(jie)段主要使用的特(te)种防弹陶瓷有氧化铝、碳化硅、碳化硼，本文(wen)就这三种(zhong)材(cai)料在(zai)防弹装甲领域的应用展开讨论。

装甲(jia)防护领域(yu)－装甲(jia)车

一、陶瓷(ci)材料的防(fang)弹原理

装甲(jia)防护的(de)基本原理是消(xiao)耗射弹(dan)能量、使射弹(dan)减速并达到无害。绝(jue)大(da)部分传统(tong)的(de)工程材料，如金属材料(liao)通过结构发生塑性变形来吸收能(neng)量，而陶瓷材料则(ze)是通过微破(po)碎过程吸收能量，装甲陶瓷的(de)吸能过程可分为(wei)3个阶段。

陶(tao)瓷材(cai)料防弹原理过(guo)程

其中，陶(tao)瓷材料的抗(kang)弹性能主要(yao)由以下(xia)三方(fang)面决定。

1）陶瓷材料的(de)自(zi)身硬度(du)及抗压强度(du)。

2）陶瓷(ci)的断裂韧性。

3）陶瓷的外观(guan)尺寸及适当的紧固方法。

二、陶瓷材料简介

（1）氧化铝(lv)

氧化铝陶(tao)瓷(ci)是(shi)以高温氧化铝（α-Al₂O₃）为主晶(jing)相(xiang)的一(yi)系列陶瓷(ci)材料，而(er)α-Al₂O₃ 是自然界中(zhong)唯一(yi)存在的Al₂O₃ 变体(ti)(ti)，是所有变体(ti)(ti)中结(jie)构最紧密、活性最低(di)、电化学性质最好的(de)晶相，在所有温度下都(dou)能稳定存在。

α-Al₂O₃密堆积的结(jie)构示意(yi)图

氧(yang)化铝性(xing)能

优点：作为防弹领域的第一代(dai)陶瓷(ci)，氧化铝不仅(jin)是(shi)所(suo)有(you)氧化物(wu)当中强度(du)最(zui)大(da)、硬度(du)最(zui)高的(de)﹐同(tong)时还具有良好的抗氧(yang)化性和化学惰性以及成本低(di)，容(rong)易(yi)获(huo)得等优(you)点。此外烧结制品因其表面(mian)光洁、尺(chi)寸稳定、价格低廉，而被广泛应用于各类装甲车辆和军警防弹服等。

缺点：低(di)(di)弯曲强度和(he)断裂韧性(xing)，抗热震性(xing)较低(di)(di)。此(ci)外，氧化铝的性(xing)能(neng)变化很(hen)大，主要取(qu)决于工艺参数、杂质含量、粒度和(he)烧(shao)结温度。同时氧化铝的密度高，不能(neng)满(man)足装甲(jia)领域向轻型化方向发展。

应用：

氧化铝陶瓷材料装甲防护应用(yong)

采用(yong)氧化铝陶瓷材(cai)料的T-64坦(tan)克

（2）碳化硅

SiC具有比较独特的晶体结构。以(yi)四(si)个(ge)(ge)碳(tan)原(yuan)子(zi)中(zhong)(zhong)的某一原(yuan)子(zi)作为中(zhong)(zhong)心，硅原(yuan)子(zi)作为配对(dui)原(yuan)子(zi)将四(si)个(ge)(ge)最(zui)外层电子(zi)，选择其中(zhong)(zhong)一个(ge)(ge)电子(zi)与(yu)中(zhong)(zhong)心碳(tan)原(yuan)子(zi)最(zui)外层的其中(zhong)(zhong)一个(ge)(ge)电子(zi)配对(dui)。依次(ci)循环操作，其最(zui)终结构相当于将硅－碳键组成(cheng)的(de)结(jie)构(gou)视为单一(yi)点阵(zhen)，称为金(jin)刚石四面体(ti)结(jie)构(gou)，这类(lei)结(jie)构(gou)展(zhan)现了极高的(de)硬度(du)。同时此结构存在很(hen)强的(de)共价键(jian)与很(hen)高的(de)Si-C键能，从而使得碳化(hua)硅材(cai)料具(ju)备(bei)高模量值、高硬度(du)(du)和高比强度(du)(du)的特性。

常见的三种 SiC晶体(ti)结构示意(yi)图(tu)

不同烧结(jie)工艺下碳化(hua)硅(gui)性能

优点：是应用最广泛的非氧化物(wu)陶瓷，硬度高(gao)，仅次(ci)于钻石、立方氮化(hua)硼(peng)(peng)和碳化(hua)硼(peng)(peng)。由于(yu)其(qi)低密度和高硬度，这(zhei)种陶(tao)瓷非常适合(he)弹道保(bao)护，同时在力学(xue)性(xing)能、密度性(xing)能和(he)弹(dan)道性(xing)能以及应用的(de)成本等方面都是氧(yang)化铝和(he)碳化硼之间的(de)中间地带。

应用：

碳化硅陶瓷材料装甲防护应用(yong)

采用碳(tan)化硅陶瓷材料的以色列梅卡瓦(wa)坦克和SA330美洲豹直(zhi)升机

（3）碳化硼 

B₄C 晶体(ti)属于菱面体(ti)结构类型，其菱面体结构(gou)中，每(mei)个单位(wei)晶胞共含(han)有(you) 15 个原子，其(qi)中(zhong)12个原子（B₁₁C）构成了二十面体，形成一个空间立体结构，而剩下的三个原子(zi)则相互(hu)组合构成一个 C-B-C 链(lian)(lian)。二十面体通(tong)过共价键与C-B-C 链(lian)(lian)相连形成一个较为稳定(ding)的结构。同时其构成元(yuan)素(su)碳元(yuan)素(su)和硼元(yuan)素(su)性质和原子半径非常相似，造成 B₄C 拥有(you)一(yi)些其他非氧化物(wu)没(mei)有(you)的优异性能。

B₄C的晶(jing)体(ti)结构

不同烧结工(gong)艺下(xia)碳(tan)化(hua)硼(peng)性能

优点：近于(yu)恒定(ding)的(de)(de)高(gao)(gao)温硬(ying)度以及良(liang)好(hao)的(de)(de)力学性能，同时，密度在几种常用装(zhuang)甲陶瓷中(zhong)最低，加上弹性模量较高(gao)(gao)，使其成为(wei)军事(shi)装甲和空间领域材料方(fang)面的良好选择。

缺点：由于硼原子和碳原子之间的共(gong)(gong)价键(jian)的高(gao)度共(gong)(gong)价性，其烧结性较差。因此，有(you)必要使(shi)用非常接近材(cai)料熔点(dian)的高烧结温度。这些高温导致残余孔隙和随后的晶(jing)粒间距，从而恶化材(cai)料的性能(neng)和性能(neng)。因此，通常使(shi)用热压(ya)或热等静压(ya)烧结，这会导致更高(gao)的制(zhi)造成(cheng)本。

应(ying)用：

碳化硼陶瓷材料装甲防(fang)护应用(yong)

(a)“拦截(jie)者”防(fang)弹衣；(b)V-22鱼鹰倾转旋翼机；（c）德国豹(bao)式坦克(ke)

三(san)、防弹陶瓷(ci)的制备(bei)方法

从图12各制备工艺的(de)特(te)点(dian)可以发现，目(mu)前发展(zhan)较(jiao)为成熟(shu)的工艺是(shi)反应(ying)烧(shao)结(jie)、无压烧(shao)结(jie)和液相烧(shao)结(jie)，像热压烧(shao)结(jie)和热等(deng)静(jing)压烧(shao)结(jie)由于(yu)受到(dao)成熟(shu)性较(jiao)低，生产(chan)成本较(jiao)高(gao)(gao)，产(chan)品尺寸的(de)(de)限制(zhi)等(deng)缺点而受限；对于(yu)超高(gao)(gao)压烧(shao)结(jie)、微(wei)波烧(shao)结(jie)、放电等(deng)离(li)(li)子烧(shao)结(jie)和等(deng)离(li)(li)子束熔融法这几种制(zhi)备工艺，虽然(ran)是较(jiao)为新颖的(de)(de)制(zhi)备手段，但(dan)成熟(shu)性最(zui)低，同时对于(yu)技术和设备的(de)(de)要求较(jiao)高(gao)(gao)，需要投入的(de)(de)生产(chan)费用(yong)(yong)高(gao)(gao)，实现(xian)批量化(hua)的(de)(de)可行(xing)性较(jiao)低，对实际应用(yong)(yong)意义不大。

各(ge)制备工艺特(te)点

四、陶瓷大讨论(lun)

自21世纪以(yi)来，防弹陶(tao)(tao)瓷(ci)发展迅速，其(qi)中以(yi)氧化(hua)铝陶(tao)(tao)瓷(ci)（Al₂O₃）、碳(tan)化硅陶瓷（SiC）、碳(tan)化硼陶瓷（B₄C）应用(yong)最广。由图12可以看出，这(zhei)3种陶瓷均为高弹(dan)性模量的材(cai)料，但断裂(lie)韧性普遍较(jiao)低，且(qie)碳(tan)化(hua)硅和(he)碳(tan)化(hua)硼材(cai)料价格为氧化(hua)铝材(cai)料的近(jin)乎10倍。综合前面(mian)各陶瓷(ci)材料的优缺点，氧化铝(lv)由于密度最(zui)(zui)高，低(di)弯曲(qu)强度和断裂韧性而受(shou)到了必(bi)要的限制。但是价(jia)格低(di)廉，工(gong)艺成熟仍然是其最(zui)(zui)大(da)优势(shi)；碳化(hua)硼则存在(zai)制(zhi)造成本(ben)和(he)原材(cai)料(liao)成本(ben)高，同时(shi)抗多次打(da)击的效率低(di)(di)，但(dan)密度低(di)(di)是其显著(zhu)优点；对碳化(hua)(hua)硅而言，其在机械性能、密度和防(fang)弹性能以及应用(yong)(yong)成本方面都介于氧化(hua)(hua)铝(lv)和碳化(hua)(hua)硼之(zhi)间，性价比(bi)最高，因此已成为现有最有应用(yong)(yong)前途的防(fang)弹陶瓷材料之(zhi)一。

各防弹陶瓷的性能对比(bi)

总结

总体而言(yan)，防弹陶瓷需要(yao)考虑防(fang)弹(dan)性能、质量（面密度）、成(cheng)本这3种因(yin)素，在(zai)不同的(de)(de)条件下，应根据不同的(de)(de)防护要求，在(zai)防弹性能(neng)、质量以及成本(ben)之间达到一种平衡，即在(zai)满足防弹性能(neng)的(de)(de)前提下，使质量与成本(ben)更(geng)低，才能(neng)更(geng)好(hao)地满足需要。与此同时(shi)单相陶(tao)瓷断裂(lie)韧性、脆性差的(de)(de)问题(ti)也不容忽视(shi)。近年来专家学(xue)者们通过(guo)微观调(diao)节包括(kuo)多元陶(tao)瓷体(ti)系复合、功(gong)能(neng)梯度(du)陶(tao)瓷、层状结构设计(ji)等来实现(xian)陶(tao)瓷的(de)(de)强韧化、轻(qing)量化和经济化，并且这样(yang)的(de)(de)护甲相对(dui)于如今的(de)(de)装甲重量轻(qing)，更(geng)好(hao)地提高了(le)作(zuo)战单位(wei)的(de)(de)机(ji)动性能(neng)。

 

参(can)考文献：

1、防弹装甲中的(de)陶瓷材料(liao) 吴燕平(ping)

2、防弹陶瓷的烧结工艺及(ji)发展现状   罗娟等

3、碳化硅抗弹陶瓷(ci)的研(yan)究(jiu)进展及在装甲防护(hu)领域的应用 魏(wei)汝斌等

4、碳(tan)化硼陶瓷的烧(shao)结与应用新进展  杨亮亮等(deng)

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

 

 

作(zuo)者：晴天