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人体(ti)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)护(hu)装备(bei)主要包括(kuo)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)弹(dan)(dan)(dan)(dan)衣（防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)弹(dan)(dan)(dan)(dan)插板）、防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)弹(dan)(dan)(dan)(dan)头盔和防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)弹(dan)(dan)(dan)(dan)盾牌(pai)等(deng)，不断(duan)提高(gao)(gao)其轻量化防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)护(hu)能(neng)(neng)力，是单(dan)兵装备(bei)发展(zhan)的(de)(de)永恒主题(ti)。其中，防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)弹(dan)(dan)(dan)(dan)背心(xin)和防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)弹(dan)(dan)(dan)(dan)头盔由抗(kang)弹(dan)(dan)(dan)(dan)纤维(wei)(wei)复合材料(liao)制备(bei)而成(cheng)，主要用(yong)于防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)御(yu)侵彻力较低(di)的(de)(de)手枪弹(dan)(dan)(dan)(dan)和破片。面对高(gao)(gao)杀伤(shang)力的(de)(de)步枪弹(dan)(dan)(dan)(dan)等(deng)威胁(xie)时，需(xu)要装备(bei)由抗(kang)弹(dan)(dan)(dan)(dan)陶瓷/纤维(wei)(wei)复合材料(liao)为基本防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)护(hu)结构(gou)的(de)(de)防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)弹(dan)(dan)(dan)(dan)插板和防(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)弹(dan)(dan)(dan)(dan)盾牌(pai)，尽可能(neng)(neng)满足(zu)高(gao)(gao)强(qiang)度(du)、高(gao)(gao)耐磨(mo)、高(gao)(gao)硬度(du)和低(di)密度(du)，即(ji)“三(san)高(gao)(gao)一低(di)”的(de)(de)要求。

目前已(yi)在人体(ti)防护装备上获(huo)得推广应用的几种抗(kang)弹(dan)陶(tao)瓷(ci)对比之下，他碳化硼（B₄C）陶瓷(ci)硬度最(zui)高(gao)、密度最(zui)低，性能上是(shi)最(zui)理想的装甲陶瓷(ci)材料。随着人体防护装备对轻(qing)量化、高(gao)防护应用需求的日益迫(po)切和(he)B₄C陶瓷产业化的(de)顺利(li)推广，B₄C 已作为(wei)制备防弹衣(yi)插(cha)板的(de)主流陶(tao)瓷材料之一获得应用。作为(wei)防弹衣(yi)的(de)加强防护组件，

现役防(fang)弹插(cha)板由(you)B₄C陶(tao)瓷板和超高分(fen)子量(liang)聚乙烯(xi)纤(xian)维复合材料板复合而成，其基本防(fang)护原理为：利用(yong)B₄C抗弹陶瓷钝化、磨蚀弹丸(wan)，然后利用纤维(wei)复合材料吸收残余冲击动能。根据应用环境和防护需求的不同，B₄C陶瓷插板分为(wei)多(duo)曲面整体(ti)式陶瓷(ci)板(ban)和单曲面(mian)小块陶(tao)瓷拼接板两种。

常用防(fang)弹陶瓷及其基本(ben)性能

B₄C防弹(dan)陶瓷的烧结工艺

致密(mi)的(de)微观结(jie)构是陶瓷发挥优(you)异力学(xue)性能(neng)和抗弹性能(neng)的(de)根本保证。然而，由(you)于硼原子和碳原子之间的(de)电负性差(cha)异很小，会(hui)形成(cheng)很强的(de)共(gong)价(jia)键(jian)，造成(cheng)B₄C陶(tao)瓷中共价(jia)键的(de)比例高(gao)达94%，远(yuan)高(gao)于(yu)Al₂O₃陶瓷(ci)中共价键的比例33%和SiC陶瓷(ci)中共价键的比例88%，加之B₄C陶(tao)瓷高熔点、高蒸汽(qi)压、低(di)自扩散(san)系(xi)数(shu)的特性，严(yan)重阻碍(ai)其致密化进程，使得(de)B₄C的(de)(de)烧结异常困难(nan)，以(yi)下将(jiang)简单介绍几种烧结工艺的(de)(de)优缺(que)点。

几种主要B4C陶瓷烧(shao)结工艺(yi)特点

除(chu)以上工(gong)(gong)艺外，超高压(ya)烧(shao)(shao)结工(gong)(gong)艺、等离子束(shu)熔融工(gong)(gong)艺等烧(shao)(shao)结方法也能得(de)到性能优异的陶瓷制品，但由于工(gong)(gong)艺复杂、设备和技(ji)术要求(qiu)高等原因(yin)，目前未实现工(gong)(gong)业化生产(chan)。

B₄C防弹陶瓷的性能(neng)改善方法

1. 采(cai)用合(he)适的烧结助剂

B₄C陶(tao)瓷(ci)烧结助剂的(de)作用机理可概括为：

（1）除去B₄C粉体(ti)(ti)颗粒表(biao)面的氧化层(ceng)，从而提(ti)高粉体(ti)(ti)表(biao)面能，并抑(yi)制晶粒的异常生长；

（2）引入(ru)3价离子来取代碳，从而(er)导致电(dian)子缺位(wei)和空(kong)隙，以及提高(gao)点缺陷或位(wei)错密度来提高(gao)晶(jing)界和体积扩散的活化作用(yong)；

（3）加入熔(rong)点(dian)相对较(jiao)低(di)，且能与B₄C形成(cheng)较好润湿性的添加剂，从而通过烧结过程中(zhong)形成(cheng)的液相(xiang)来提(ti)供物质迁(qian)移的快速通道。

B4C陶瓷常用烧(shao)结(jie)助剂(ji)

 

近(jin)年来(lai)，为协同(tong)提(ti)高陶瓷强度、韧性、硬度等(deng)多种(zhong)力学(xue)性能参数，人们对复(fu)合烧结(jie)助剂的应(ying)用研(yan)究(jiu)越来(lai)越广(guang)泛，碳(tan)+金属(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)、碳(tan)+金属(shu)、金属(shu)+金属(shu)、硼(peng)+碳(tan)化(hua)物(wu)、硼(peng)+硼(peng)化(hua)物(wu)等(deng)多种(zhong)复(fu)合助剂体(ti)系(xi)研(yan)究(jiu)都取得了良好的应(ying)用效(xiao)果。可以(yi)预见，对陶瓷成分(fen)的精细设(she)计、混料(liao)工(gong)艺的创(chuang)新途径和微观结(jie)构的精确(que)调控(kong)研(yan)究(jiu)将成为陶瓷性能进一步提(ti)升(sheng)的重要发展方向(xiang)。

2.B4C防弹陶瓷增韧技术

尽管B₄C陶瓷具备高硬度、高强(qiang)度和(he)低密(mi)度等优(you)点，但是(shi)其(qi)较(jiao)低的韧(ren)性(xing)严(yan)重地(di)影响(xiang)了其(qi)抗多发弹性能。通(tong)过对(dui)B₄C陶瓷(ci)进(jin)行增韧可(ke)以延(yan)长弹丸撞击陶瓷(ci)材(cai)料(liao)的断(duan)裂时间，从而提(ti)高其断(duan)裂耗能(neng)和抗弹阻力(li)，使弹丸被(bei)陶瓷(ci)磨蚀和犁(li)削程度增强。

陶瓷材料韧性差是由于材料在断(duan)裂(lie)时主裂(lie)纹(wen)(wen)(wen)以平直方式延伸，裂(lie)纹(wen)(wen)(wen)扩(kuo)展路径短，断(duan)裂(lie)产生的表面能和(he)裂(lie)纹(wen)(wen)(wen)扩(kuo)展功也小。因(yin)此，加大裂纹路径(jing)，提高裂纹扩(kuo)展能(neng)，

可以实现陶瓷材料的增韧。B₄C的强韧化可以通(tong)过控制材料显微结构和使(shi)裂纹钉扎、偏转、弯(wan)曲(qu)及第二相(xiang)桥联、应力诱导微裂纹、相(xiang)变(bian)等多(duo)种(zhong)方式(shi)实(shi)现。

（1）晶粒细化增韧(ren)

通过控制晶粒形状、晶粒尺(chi)寸(cun)、气孔率、气孔尺(chi)寸(cun)与分布及晶界特性等显微结构，能显著提高材(cai)料的断裂(lie)性能。晶粒越细小(xiao)、材料(liao)晶界(jie)越多(duo)、晶体缺陷密度越低(di)，陶(tao)瓷断裂时裂纹(wen)沿着晶(jing)界(jie)扩(kuo)展的(de)路径就越长，裂纹(wen)转(zhuan)向次数就越多(duo)，从而阻(zu)滞裂纹(wen)的(de)扩(kuo)展，起到增(zeng)韧效果(guo)。

（2）第二相复合增韧

第二相(xiang)增韧可(ke)以分为颗粒增韧和纤维（晶(jing)须）补强(qiang)增(zeng)韧。

颗粒(li)的(de)增(zeng)韧(ren)机(ji)理主要(yao)有微裂纹增(zeng)韧(ren)、裂纹偏转(zhuan)增(zeng)韧(ren)以及促使(shi)断(duan)裂方式由穿晶断(duan)裂向沿晶断(duan)裂转(zhuan)变。通过(guo)金(jin)(jin)属以及金(jin)(jin)属间化(hua)合物(wu)(wu)颗粒(li)、过(guo)渡金(jin)(jin)属碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)颗粒(li)、碳(tan)以及碳(tan)化(hua)物(wu)(wu)颗粒(li)、硼化(hua)物(wu)(wu)颗粒(li)等(deng)均能在不同程度上(shang)提高B₄C陶瓷的韧(ren)性。当增韧(ren)粒(li)子为(wei)纳米粒(li)子时，弥散在基体晶(jing)内和晶(jing)间的纳(na)米颗粒可以起(qi)到良好的强韧化效果(guo)。

纤维（晶须）补强增韧(ren)机理主要是(shi)裂(lie)纹偏转增韧(ren)、桥联增韧(ren)、拔出效应。通过(guo)纤维对陶瓷(ci)材料进行增韧(ren)补强时，需特别(bie)注意(yi)从纤维与基(ji)体的(de)化学相容(rong)(rong)性(xing)和热(re)物理相容(rong)(rong)性(xing)方面，进行界(jie)面相容性设计。SiC、C、Si₃N₄、B4C、Al₂O₃等纤(xian)维(wei)(wei)被广泛运(yun)用以提高材料的韧性和强(qiang)度，相关的连续纤(xian)维(wei)(wei)増强(qiang)陶瓷(ci)已经得(de)到实际(ji)应用。

（3）层状结构

近年来，对于装甲(jia)陶瓷(ci)等脆(cui)性材(cai)料的(de)(de)增(zeng)韧补强，除了传统的(de)(de)强韧化技(ji)术途径，层状(zhuang)结(jie)构或仿生层状(zhuang)结(jie)构材料同(tong)样受到广泛关(guan)注。

仿生(sheng)层状结构

层(ceng)状复合陶瓷是在脆(cui)性的(de)陶瓷层(ceng)间加(jia)入不同材(cai)质的(de)较软(ruan)(ruan)或(huo)(huo)较韧(ren)的(de)材(cai)料(liao)层(ceng)通常称之为软(ruan)(ruan)层(ceng)、夹层(ceng)或(huo)(huo)界面层(ceng)制成，这种(zhong)(zhong)结构的(de)材(cai)料(liao)在应力场中是一种(zhong)(zhong)能量耗散结构，能克服陶瓷突发性断裂(lie)的(de)致命(ming)缺(que)点，因(yin)而能够使(shi)陶瓷材(cai)料(liao)的(de)韧(ren)性大大提高。

总结

尽管B₄C陶瓷以优异的(de)“三高一低(di)”特性表(biao)现出成为人体防护装备用(yong)主流防弹陶瓷材料的(de)趋(qu)势(shi)，但其成本高和韧性差的(de)缺(que)点也一直制约其产业化(hua)推广应用(yong)。另(ling)一方面，由于(yu)非(fei)氧化(hua)物陶瓷表面(mian)活性较差，与同属惰性(xing)材料(liao)的超高分子量(liang)聚(ju)乙烯纤(xian)维复合后(hou)，制备的防弹(dan)插板界(jie)面粘(zhan)接性(xing)能不佳，中弹(dan)后(hou)陶瓷/纤(xian)维界(jie)面易造成大幅(fu)脱(tuo)粘(zhan)，纤(xian)维复合材料(liao)板无法进(jin)一步传递冲击载荷(he)，造成B₄C防弹(dan)插板抗(kang)多发(fa)弹(dan)能力不(bu)足，相同厚度下其抗(kang)弹(dan)性能甚至(zhi)不(bu)及 Al₂O₃防弹(dan)插板(ban)。因此，除(chu)了(le)聚焦于 B₄C陶瓷(ci)力(li)学性(xing)(xing)(xing)能和韧性(xing)(xing)(xing)的(de)提(ti)(ti)高(gao)，对提(ti)(ti)高(gao)其表面活性(xing)(xing)(xing)的(de)研究也(ye)应予以重(zhong)视，针对人体(ti)防护装备对高(gao)性(xing)(xing)(xing)能、轻(qing)量化(hua)、低成(cheng)本化(hua)防弹陶瓷(ci)的(de)应用(yong)需求继续深(shen)入探索。

参(can)考来源：

1.人体防护(hu)装备用(yong)碳化硼(peng)抗弹(dan)陶瓷应用(yong)探析，魏汝斌、董彬、王小(xiao)伟(wei)、张文(wen)婷、刘欣(xin)、杜亚(ya)媚、翟文(wen)（兵工(gong)学(xue)报）；

2.防(fang)弹装甲中的陶瓷材(cai)料，吴燕(yan)平、燕(yan)青芝(zhi)（兵器材(cai)料科(ke)学与(yu)工程(cheng)）；

3.碳化(hua)硼陶(tao)瓷的烧结与应用新进展，杨亮亮、谢志鹏、刘维良（陶(tao)瓷学报）；

4.防弹装(zhuang)甲用碳化硼陶(tao)(tao)瓷材料的研究(jiu)进(jin)展，黄(huang)明(ming)、曹峰、彭志(zhi)航（现代技(ji)术陶(tao)(tao)瓷）。

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