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人体防(fang)(fang)护装备主(zhu)要(yao)(yao)包括防(fang)(fang)弹(dan)(dan)衣（防(fang)(fang)弹(dan)(dan)插(cha)板(ban)）、防(fang)(fang)弹(dan)(dan)头(tou)盔(kui)和防(fang)(fang)弹(dan)(dan)盾牌等，不断提高(gao)(gao)其(qi)轻(qing)量化(hua)防(fang)(fang)护能(neng)力，是单兵装备发展的(de)永(yong)恒主(zhu)题。其(qi)中，防(fang)(fang)弹(dan)(dan)背心(xin)和防(fang)(fang)弹(dan)(dan)头(tou)盔(kui)由(you)抗弹(dan)(dan)纤维(wei)复(fu)合材料(liao)(liao)制备而成，主(zhu)要(yao)(yao)用于防(fang)(fang)御(yu)侵(qin)彻力较低(di)的(de)手枪弹(dan)(dan)和破片。面对高(gao)(gao)杀伤力的(de)步枪弹(dan)(dan)等威胁时(shi)，需要(yao)(yao)装备由(you)抗弹(dan)(dan)陶瓷/纤维(wei)复(fu)合材料(liao)(liao)为(wei)基本(ben)防(fang)(fang)护结(jie)构的(de)防(fang)(fang)弹(dan)(dan)插(cha)板(ban)和防(fang)(fang)弹(dan)(dan)盾牌，尽可能(neng)满足(zu)高(gao)(gao)强度(du)、高(gao)(gao)耐(nai)磨、高(gao)(gao)硬(ying)度(du)和低(di)密度(du)，即“三高(gao)(gao)一低(di)”的(de)要(yao)(yao)求。

目前已在人(ren)体防护装(zhuang)备上(shang)获得推广应用的几种抗弹陶瓷对(dui)比(bi)之下(xia)，他(ta)碳化硼（B₄C）陶瓷硬度(du)(du)最高、密度(du)(du)最低，性能上是最理想的(de)装甲陶瓷材料(liao)。随着人体(ti)防护装备对轻量(liang)化、高防护应用需求的(de)日益迫切和B₄C陶瓷产业化的(de)顺利(li)推广(guang)，B₄C 已作为制(zhi)备防(fang)弹衣插板的主流陶瓷(ci)材(cai)料之(zhi)一获得应用。作为防(fang)弹衣的加强防(fang)护组(zu)件，

现役防弹插板由(you)B₄C陶瓷板和超高分子量聚乙烯纤(xian)维复合(he)材料板复合而成，其(qi)基本防护原理为：利用B₄C抗弹(dan)陶(tao)瓷钝化、磨(mo)蚀弹(dan)丸，然后利用纤维(wei)复合材料吸收残余冲击动能(neng)。根据应用环境和(he)防护需(xu)求的不同，B₄C陶瓷插(cha)板分为多(duo)曲面整(zheng)体式陶瓷(ci)板(ban)和单曲(qu)面小块陶瓷拼接板两种。

常用(yong)防弹陶(tao)瓷及其基本性能(neng)

B₄C防弹陶瓷的烧结工艺

致密的(de)微观(guan)结构是陶瓷发(fa)挥优异力学(xue)性(xing)(xing)能和抗弹性(xing)(xing)能的(de)根本保证。然而，由于硼原(yuan)子和碳(tan)原(yuan)子之间的(de)电(dian)负(fu)性(xing)(xing)差异很小，会形成(cheng)很强(qiang)的(de)共价(jia)键(jian)，造成(cheng)B₄C陶瓷中共(gong)价键的比例高(gao)达94%，远高(gao)于Al₂O₃陶瓷(ci)中共价键(jian)的(de)比例33%和SiC陶瓷(ci)中共价键(jian)的(de)比例88%，加(jia)之B₄C陶瓷高熔点、高蒸(zheng)汽压(ya)、低自扩散系数(shu)的特性，严(yan)重阻(zu)碍其致密化进(jin)程，使得B₄C的(de)(de)烧结异常困难，以下将(jiang)简单介绍几种烧结工(gong)艺的(de)(de)优缺(que)点(dian)。

几种主(zhu)要(yao)B4C陶瓷(ci)烧结工(gong)艺特点

除以上(shang)工(gong)艺(yi)外，超高(gao)压烧(shao)(shao)结(jie)工(gong)艺(yi)、等(deng)离子束熔融工(gong)艺(yi)等(deng)烧(shao)(shao)结(jie)方(fang)法(fa)也能(neng)得(de)到性能(neng)优(you)异的陶瓷制(zhi)品(pin)，但由于工(gong)艺(yi)复杂、设备和技术要求高(gao)等(deng)原因，目前未实现工(gong)业化生(sheng)产。

B₄C防弹(dan)陶瓷的(de)性能改善(shan)方法

1. 采用合适的烧结助(zhu)剂

B₄C陶(tao)瓷烧(shao)结助(zhu)剂(ji)的作(zuo)用机理可概括为(wei)：

（1）除去B₄C粉体(ti)颗粒表面的氧化层(ceng)，从而提高粉体(ti)表面能，并(bing)抑制晶粒的异(yi)常生长；

（2）引入3价离子来(lai)取(qu)代碳，从而导致电(dian)子缺位(wei)和空隙，以(yi)及提高点缺陷(xian)或位(wei)错密度来(lai)提高晶界(jie)和体(ti)积(ji)扩(kuo)散的活化作用(yong)；

（3）加(jia)入熔(rong)点相(xiang)对较低(di)，且能与B₄C形成(cheng)较好润湿(shi)性的(de)添加剂(ji)，从(cong)而通过(guo)烧结过(guo)程中形成(cheng)的(de)液(ye)相来提供物质(zhi)迁移(yi)的(de)快速通道。

B4C陶瓷常用烧结助剂

 

近年来(lai)(lai)，为协同提(ti)高陶瓷强度、韧性、硬(ying)度等(deng)多种力学性能参数，人们对复合烧结(jie)助剂的(de)(de)(de)应用(yong)研究越来(lai)(lai)越广(guang)泛(fan)，碳(tan)+金属氧化(hua)(hua)物、碳(tan)+金属、金属+金属、硼+碳(tan)化(hua)(hua)物、硼+硼化(hua)(hua)物等(deng)多种复合助剂体(ti)系研究都取得了良好的(de)(de)(de)应用(yong)效果。可以预见，对陶瓷成分的(de)(de)(de)精(jing)细设(she)计、混(hun)料工艺(yi)的(de)(de)(de)创新途径和(he)微(wei)观结(jie)构(gou)的(de)(de)(de)精(jing)确调控研究将成为陶瓷性能进一步提(ti)升(sheng)的(de)(de)(de)重要发展方向(xiang)。

2.B4C防弹陶(tao)瓷增韧技术(shu)

尽(jin)管(guan)B₄C陶瓷(ci)具(ju)备(bei)高(gao)硬度、高(gao)强(qiang)度和低(di)密度等优点(dian)，但是其(qi)较低(di)的韧性(xing)严重(zhong)地影响了(le)其(qi)抗多发弹性能。通过对B₄C陶瓷(ci)进行增韧可以延长弹(dan)丸撞击陶瓷(ci)材(cai)料(liao)的断裂时间，从而提高(gao)其断裂耗能和(he)抗弹(dan)阻力，使弹(dan)丸被陶瓷(ci)磨蚀和(he)犁削程度增强。

陶瓷材料(liao)韧性差(cha)是由于材料(liao)在断裂(lie)时主裂(lie)纹(wen)(wen)以平直方式延伸，裂(lie)纹(wen)(wen)扩展(zhan)路径短，断裂(lie)产生的表面能和裂(lie)纹(wen)(wen)扩展(zhan)功也小。因此，加大裂(lie)(lie)纹路径(jing)，提高裂(lie)(lie)纹扩展能，

可以实(shi)现(xian)陶(tao)瓷材料的增韧。B₄C的强韧化可以通过控制材料显微结构和使裂(lie)纹钉扎、偏(pian)转、弯曲(qu)及第二相(xiang)桥联、应力诱(you)导微裂(lie)纹、相(xiang)变等多种方(fang)式实现。

（1）晶粒细化增韧

通过控制晶粒(li)形状、晶粒(li)尺(chi)寸(cun)、气孔(kong)率、气孔(kong)尺(chi)寸(cun)与分布及(ji)晶界(jie)特性等显(xian)微(wei)结构，能显(xian)著提(ti)高材料的断裂性能。晶粒越(yue)细小、材料晶界越(yue)多、晶体(ti)缺陷密(mi)度越(yue)低，陶瓷(ci)断(duan)裂(lie)(lie)时裂(lie)(lie)纹沿着晶(jing)界(jie)扩(kuo)展的路径就越(yue)长，裂(lie)(lie)纹转向次数(shu)就越(yue)多，从而(er)阻滞裂(lie)(lie)纹的扩(kuo)展，起到增(zeng)韧(ren)效果(guo)。

（2）第二相复合(he)增韧

第二相增韧可以分为颗粒增韧和纤(xian)维（晶须）补强增韧。

颗粒的增韧(ren)机理(li)主要有微(wei)裂纹增韧(ren)、裂纹偏转增韧(ren)以及(ji)促使断(duan)(duan)裂方式由穿晶(jing)断(duan)(duan)裂向沿晶(jing)断(duan)(duan)裂转变(bian)。通过(guo)金(jin)属(shu)以及(ji)金(jin)属(shu)间化合物颗粒、过(guo)渡金(jin)属(shu)碳化物颗粒、碳以及(ji)碳化物颗粒、硼化物颗粒等均(jun)能在不同程(cheng)度上提高B₄C陶瓷的韧性。当(dang)增韧粒子为纳米粒子时，弥散(san)在(zai)基体晶(jing)内(nei)和晶(jing)间的(de)纳(na)米(mi)颗粒可以起(qi)到良好的(de)强韧化效果。

纤维（晶(jing)须）补(bu)强增(zeng)(zeng)韧机理主要是裂纹偏转增(zeng)(zeng)韧、桥联增(zeng)(zeng)韧、拔出效应。通过(guo)纤维对陶瓷材料进行增(zeng)(zeng)韧补(bu)强时，需特(te)别注意从纤维与基体的化学(xue)相容(rong)性和(he)热物理相容(rong)性方面，进行界面相容性设计。SiC、C、Si₃N₄、B4C、Al₂O₃等纤维被广泛运用以提高材(cai)料(liao)的韧性和强度，相关的连续纤维増强陶瓷已经(jing)得到(dao)实(shi)际应(ying)用。

（3）层状结构

近(jin)年来(lai)，对于装甲(jia)陶(tao)瓷等脆性材料的增韧补强，除了传(chuan)统的强韧化技(ji)术途径，层(ceng)(ceng)状结构或仿生(sheng)层(ceng)(ceng)状结构材料同样受到广泛关注。

仿生层状结构

层(ceng)状复(fu)合(he)陶(tao)瓷(ci)是在脆性(xing)的(de)陶(tao)瓷(ci)层(ceng)间加入(ru)不(bu)同材质的(de)较(jiao)软或较(jiao)韧(ren)的(de)材料(liao)层(ceng)通常(chang)称(cheng)之为(wei)软层(ceng)、夹(jia)层(ceng)或界面层(ceng)制成，这(zhei)种结(jie)构(gou)的(de)材料(liao)在应力场(chang)中是一(yi)种能量耗散(san)结(jie)构(gou)，能克服陶(tao)瓷(ci)突(tu)发性(xing)断裂的(de)致命缺(que)点(dian)，因而能够使陶(tao)瓷(ci)材料(liao)的(de)韧(ren)性(xing)大(da)大(da)提高(gao)。

总结

尽管B₄C陶(tao)瓷(ci)以优异的(de)“三高一低”特性表现出成为人体防护装(zhuang)备用(yong)主流防弹陶(tao)瓷(ci)材料(liao)的(de)趋势(shi)，但其成本高和(he)韧性差的(de)缺(que)点也一直(zhi)制约其产业化(hua)推广应(ying)用(yong)。另一方(fang)面(mian)，由于非氧化(hua)物(wu)陶(tao)瓷(ci)表面活(huo)性较差(cha)，与同属惰性材(cai)料(liao)的(de)超高分子量聚乙(yi)烯纤维(wei)复合后，制(zhi)备(bei)的(de)防弹插(cha)板界面(mian)粘(zhan)接性能不佳，中弹后陶瓷(ci)/纤维(wei)界面(mian)易(yi)造(zao)成大幅(fu)脱粘(zhan)，纤维(wei)复合材(cai)料(liao)板无(wu)法进一(yi)步传递冲(chong)击(ji)载荷，造(zao)成B₄C防(fang)弹(dan)插板抗多发弹(dan)能力不足，相同厚(hou)度下其抗弹(dan)性(xing)能甚至(zhi)不及 Al₂O₃防弹插板。因此(ci)，除(chu)了(le)聚焦于 B₄C陶(tao)瓷力学性(xing)能和韧性(xing)的(de)提高，对提高其(qi)表面(mian)活性(xing)的(de)研究(jiu)也(ye)应(ying)(ying)予以重(zhong)视，针对人(ren)体(ti)防(fang)护装(zhuang)备(bei)对高性(xing)能、轻量化、低成本化防(fang)弹陶(tao)瓷的(de)应(ying)(ying)用需求继续深入探索。

参考来源：

1.人体(ti)防护装备(bei)用(yong)碳化硼(peng)抗弹陶(tao)瓷应用(yong)探析(xi)，魏汝斌、董(dong)彬、王(wang)小伟、张文(wen)婷、刘(liu)欣、杜亚媚、翟文(wen)（兵工(gong)学报）；

2.防弹装甲中的陶瓷材(cai)料，吴(wu)燕(yan)平、燕(yan)青(qing)芝（兵器材(cai)料科学与工程(cheng)）；

3.碳化硼陶瓷(ci)(ci)的烧结与应用新进展，杨亮亮、谢志鹏(peng)、刘维良（陶瓷(ci)(ci)学(xue)报(bao)）；

4.防弹装甲用碳化硼(peng)陶(tao)瓷材料的研究(jiu)进展，黄(huang)明、曹(cao)峰、彭志(zhi)航（现代技术陶(tao)瓷）。

粉体(ti)圈 小吉(ji)