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鄒小姐：13326633089 -
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近些年，科技的快速發(fā)展我們每個人都是深有體會的，最直觀的就是電子產(chǎn)品的更新速度。同樣的，武器裝備也在不斷升級，在裝甲車觀瞄探測的光學(xué)窗口增設(shè)具有光學(xué)透明性、防子彈、炮彈碎片與巖石碎片沖擊的透明裝甲，可以大幅度提高車內(nèi)人員的安全。
裝甲車
傳統(tǒng)以防彈玻璃為主的透明裝甲已難以滿足使用要求，這是由于傳統(tǒng)防彈玻璃需大幅度增加裝甲厚度，才能抵御大口徑步槍子彈的攻擊，但是增加厚度會帶來一系列影響：增加載具自重、降低機動性、壓縮艙內(nèi)空間、損失光學(xué)性能。因此，新型防彈裝甲材料需要有高抗彈性、輕質(zhì)、透明等特性。
新型透明防彈裝甲結(jié)構(gòu)是由三個功能層組成：
1. 迎彈面層通常由玻璃、玻璃陶瓷或透明陶瓷制成，用于使彈丸鈍化、損傷、碎裂；
2. 中間層由玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）構(gòu)成，用于能量吸收、止裂、緩解熱膨脹錯配；
3. 背彈面層通常選擇聚碳酸酯（PC），用于防碎片飛濺。
此外還有各層之間的黏結(jié)層（用于連接系統(tǒng)并提供多次撞擊阻力）。
新型三層功能結(jié)構(gòu)透明防彈裝甲示意圖
迎彈面是整個透明防彈裝甲系統(tǒng)的核心。目前，迎彈面層使用的藍(lán)寶石、鎂鋁尖晶石、氮氧化鋁（AlON）材料表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性能和機械性能，在紫外、可見光、和近紅外波段具有良好直線透過率（超過80%），可用于紅外/可見光透明裝甲窗口。
藍(lán)寶石、鎂鋁尖晶石、氮氧化鋁材料簡介
1.藍(lán)寶石
藍(lán)寶石的主要成分為Al2O3，屬于α-Al2O3變體，它的莫氏硬度為9，僅次于金剛石。藍(lán)寶石材料是目前應(yīng)用最普遍的透明裝甲用材料，最主要的原因是藍(lán)寶石比鎂鋁尖晶石、氮氧化鋁材料的技術(shù)研究更成熟，有廣泛的商業(yè)化產(chǎn)品選擇。目前大多數(shù)尖晶石透明陶瓷的核心問題是難以獲得高質(zhì)量的原料粉體，商業(yè)粉末又存在不夠純凈或顆粒尺寸過大/過細(xì)等問題，相比較之下，藍(lán)寶石所需的單晶制備技術(shù)可避免原料因素的影響。此外，藍(lán)寶石的靜態(tài)硬度、抗彎強度和楊氏模量均高于多晶鎂鋁尖晶石和AlON，具有高化學(xué)抗性等特點。
藍(lán)寶石板
但是，藍(lán)寶石的制備成本很高，這是由于藍(lán)寶石需要較高的加工溫度以及繁瑣的工藝。單晶泡生法和直拉法制得的藍(lán)寶石為了滿足光學(xué)需求均需要大量的后處理，會導(dǎo)致原料利用率低；導(dǎo)模法（EFG）可以實現(xiàn)單曲平板制備，提高了原料利用率，但是需要大量鎢鉬原件，成本高昂，批次穩(wěn)定性不高。此外，由于單晶生長內(nèi)應(yīng)力大，易發(fā)生不規(guī)則脆性開裂和解理裂紋，影響后期層合及裝配。
2.多晶鎂鋁尖晶石
多晶鎂鋁尖晶石是MgO-Al2O3系統(tǒng)中唯一的中間化合物。多晶鎂鋁尖晶石因為光學(xué)性能、高速沖擊抗力和生產(chǎn)成本之間的平衡，可以認(rèn)為是最具前途的裝甲迎彈面材料之一。與藍(lán)寶石及AlON相比，多晶鎂鋁尖晶石在中紅外波段具有更高的透光率和紅外吸收邊，對于搭載有紅外探測設(shè)備的載具，具有更好的適用性；同時，具有與另外兩種材料相似的抗高速沖擊性能。除此之外，鎂鋁尖晶石密度較低，可實現(xiàn)大尺寸成型制備。
熱處理后的鎂鋁尖晶石透明陶瓷
多晶鎂鋁尖晶石的原料粉末可以通過機械合金化、固相燒結(jié)、溶膠－凝膠、水熱法、共沉淀和化學(xué)氣相沉積等多種方式獲得，不同合成方法決定了原料粉體的性能。但是，鎂鋁尖晶石粉末的化學(xué)計量比、雜質(zhì)、粒徑和團聚體的缺陷無法通過調(diào)整工藝參數(shù)來改善。雜質(zhì)不僅會影響鎂鋁尖晶石的光學(xué)性能，同時會改變界面能和晶界遷移速率，進(jìn)而影響微觀結(jié)構(gòu)、硬度以及高速沖擊抗力。適量的LiF燒結(jié)助劑可減少透明鎂鋁尖晶石中的雜質(zhì)，但是會造成材料脆化，斷裂形式從穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔?，降低材料的高速沖擊抗力。
多晶鎂鋁尖晶石的燒結(jié)也是一個亟須解決的問題，這是因為：Mg或MgO的揮發(fā)導(dǎo)致產(chǎn)生化學(xué)計量比變化（MgO的蒸氣壓是Al2O3的103倍）及梯度；晶粒具有較高粗化傾向；低氧晶格擴散速率要求較高燒結(jié)溫度。目前透明多晶鎂鋁尖晶石是通過無壓燒結(jié)/熱等靜壓或熱壓燒結(jié)/熱等靜壓燒結(jié)的，這些工藝制造成本很高，很難生產(chǎn)大型板材。熱壓燒結(jié)相比于無壓燒結(jié)，提高了燒結(jié)驅(qū)動力，降低了裂紋、翹曲等風(fēng)險。無壓或熱壓后的熱等靜壓處理是必須的，這一過程可以進(jìn)一步降低孔隙率而提高透明性。放電等離子燒結(jié)（SPS）是近些年研究的熱點。SPS方法可以顯著降低燒結(jié)所需溫度，并提高產(chǎn)品力學(xué)和光學(xué)性能。然而，目前采用SPS工藝同樣無法實現(xiàn)大尺寸板材的制備，尺寸增加后，SPS存在的溫度梯度會導(dǎo)致樣品加熱不均，導(dǎo)致透光率損失等問題。
3.氮氧化鋁
氮氧化鋁（γ-AlON，簡稱AlON）是Al2O3-AlN二元體系中的一種固溶體物相，它是一種透明多晶陶瓷，其光學(xué)性能與藍(lán)寶石、尖晶石相當(dāng)，抗彎強度接近藍(lán)寶石，明顯高于尖晶石。它可以通過先進(jìn)陶瓷制備方法實現(xiàn)大尺寸及復(fù)雜形狀的產(chǎn)品的制備，因而AlON是導(dǎo)彈整流罩、紅外窗口材料和防彈裝甲材料的優(yōu)選材料。
AlON陶瓷制備方法
AlON陶瓷的制備方法可以分為一步法和兩步法兩種。一步法一般是將原料粉末混合后經(jīng)成型、燒結(jié)得到AlON陶瓷。兩步法是經(jīng)粉體合成和陶瓷制備兩步，首先制備高純、單相的AlON粉末，然后通過成型和燒結(jié)得到AlON陶瓷。兩步法制備的透明AlON陶瓷，制備工藝相對復(fù)雜，成本相對較高，但最大的優(yōu)點是制備的陶瓷致密度較高，是目前透明AlON陶瓷研究和應(yīng)用的主要制備方法。
AlON透明陶瓷防彈裝甲與玻璃防彈裝甲防彈性能方面的對比
雖然在過去幾十年，制備手段獲得長足進(jìn)步，但是在大規(guī)模制備過程中仍存在一些困難，首先是干燥過程會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，在生坯內(nèi)部生成裂紋；其次，大尺寸AlON的燒結(jié)也會因溫度不均勻產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力雙折射現(xiàn)象。
透明防彈裝甲面臨的挑戰(zhàn)
1.透明防彈裝甲面臨的最首要的問題是單塊透明板材的尺寸基本無法滿足實際使用要求，這就需要對其進(jìn)行拼接。截止目前，應(yīng)用比較廣泛的方法有玻璃粘接、活潑金屬釬焊、瞬間液相連接等。
活潑金屬釬焊在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛，主要采用Ti或其他活潑金屬（例如Zr，Nb，Cr，Y等），這些金屬與藍(lán)寶石等潤濕性良好，在800～900 ℃數(shù)分鐘即可完成釬焊，優(yōu)點是連接緊密，缺點是熱膨脹系數(shù)匹配較差，在接縫處產(chǎn)生殘余應(yīng)力，工藝要求超高真空環(huán)境，所以成本較高。
瞬間液相連接方法所需的溫度低，這是由于連接層采用多層結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫性能；但是需要長時間保持才可消除連接層缺陷，因此生產(chǎn)周期長、工藝成本高，嚴(yán)重限制了瞬間液相連接技術(shù)的應(yīng)用。
玻璃粘接方法是將多種玻璃（MgO、CaO、SiO2、TiO2、Al2O3等）形成物進(jìn)行混合，作為填充材料進(jìn)行燒結(jié)，該方法所需溫度較低，反應(yīng)可以在非真空、非保護性氣氛下進(jìn)行，也是僅有的能保持接縫透明的方法，是透明裝甲材料焊接的最佳選擇，例如使用BaTiAl6O12激光焊接藍(lán)寶石，粘接完成后仍可保持可見光波段80％的透光率。
2.透明防彈裝甲面臨的另一個問題是無法做出復(fù)雜形狀裝甲，目前絕大多數(shù)裝甲仍是平板狀，限制了載具的設(shè)計。多晶陶瓷制備技術(shù)的進(jìn)步可以在一定程度上解決這一難題，但是仍存在曲面陶瓷與玻璃及有機材料形狀匹配，邊緣設(shè)計與裝配等一系列問題。
總的來說，藍(lán)寶石材料是目前工藝最為成熟的迎彈面材料，但是其制造成本很高，批次穩(wěn)定性較差。多晶陶瓷材料，如鎂鋁尖晶石和氮氧化鋁，具備生產(chǎn)更大尺寸樣品的可能性，但是制約其發(fā)展的主要原因是難以獲得高質(zhì)量原料粉體的制備和燒結(jié)工藝問題。正如藍(lán)寶石優(yōu)秀的力學(xué)性能無法代表最好的防彈性能，透明裝甲作為一個功能性的系統(tǒng)，并不是每種組成材料的性能的簡單堆砌，需要各組件間相互協(xié)調(diào)才能發(fā)揮每種材料的最佳性能。
參考資料：
1. 劉家希，石曉東，姜良寶等。陶瓷基透明防彈裝甲研究進(jìn)展（中國航發(fā)北京航空材料研究院）。
2. 吳點宇，李鑫，張小剛等。觀察探測裝置用透明裝甲材料的設(shè)計研究（中國電子科技集團公司第 33 研究所）
粉體圈 歡歡
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