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陶瓷材料擁有許多極具吸引力的性能，包括高比剛度、高比強(qiáng)度和在許多環(huán)境下的化學(xué)惰性。同時(shí)，因其相對(duì)于金屬的低密度﹑高硬度和高抗壓強(qiáng)度，使其在裝甲系統(tǒng)上的應(yīng)用十分具有吸引力，己成為一種廣泛應(yīng)用于防彈衣、車輛和飛機(jī)等裝備的防護(hù)裝甲。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段主要使用的特種防彈陶瓷有氧化鋁、碳化硅、碳化硼，本文就這三種材料在防彈裝甲領(lǐng)域的應(yīng)用展開討論。
裝甲防護(hù)領(lǐng)域－裝甲車
一、陶瓷材料的防彈原理
裝甲防護(hù)的基本原理是消耗射彈能量、使射彈減速并達(dá)到無(wú)害。絕大部分傳統(tǒng)的工程材料，如金屬材料通過(guò)結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形來(lái)吸收能量，而陶瓷材料則是通過(guò)微破碎過(guò)程吸收能量，裝甲陶瓷的吸能過(guò)程可分為3個(gè)階段。
陶瓷材料防彈原理過(guò)程
其中，陶瓷材料的抗彈性能主要由以下三方面決定。
1）陶瓷材料的自身硬度及抗壓強(qiáng)度。
2）陶瓷的斷裂韌性。
3）陶瓷的外觀尺寸及適當(dāng)?shù)木o固方法。
二、陶瓷材料簡(jiǎn)介
（1）氧化鋁
氧化鋁陶瓷是以高溫氧化鋁（α-Al2O3）為主晶相的一系列陶瓷材料，而α-Al2O3 是自然界中唯一存在的Al2O3 變體，是所有變體中結(jié)構(gòu)最緊密、活性最低、電化學(xué)性質(zhì)最好的晶相，在所有溫度下都能穩(wěn)定存在。
α-Al2O3密堆積的結(jié)構(gòu)示意圖
氧化鋁性能
優(yōu)點(diǎn)：作為防彈領(lǐng)域的第一代陶瓷，氧化鋁不僅是所有氧化物當(dāng)中強(qiáng)度最大、硬度最高的﹐同時(shí)還具有良好的抗氧化性和化學(xué)惰性以及成本低，容易獲得等優(yōu)點(diǎn)。此外燒結(jié)制品因其表面光潔、尺寸穩(wěn)定、價(jià)格低廉，而被廣泛應(yīng)用于各類裝甲車輛和軍警防彈服等。
缺點(diǎn)：低彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性，抗熱震性較低。此外，氧化鋁的性能變化很大，主要取決于工藝參數(shù)、雜質(zhì)含量、粒度和燒結(jié)溫度。同時(shí)氧化鋁的密度高，不能滿足裝甲領(lǐng)域向輕型化方向發(fā)展。
應(yīng)用：
氧化鋁陶瓷材料裝甲防護(hù)應(yīng)用
采用氧化鋁陶瓷材料的T-64坦克
（2）碳化硅
SiC具有比較獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)。以四個(gè)碳原子中的某一原子作為中心，硅原子作為配對(duì)原子將四個(gè)最外層電子，選擇其中一個(gè)電子與中心碳原子最外層的其中一個(gè)電子配對(duì)。依次循環(huán)操作，其最終結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將硅－碳鍵組成的結(jié)構(gòu)視為單一點(diǎn)陣，稱為金剛石四面體結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了極高的硬度。同時(shí)此結(jié)構(gòu)存在很強(qiáng)的共價(jià)鍵與很高的Si-C鍵能，從而使得碳化硅材料具備高模量值、高硬度和高比強(qiáng)度的特性。
常見(jiàn)的三種 SiC晶體結(jié)構(gòu)示意圖
不同燒結(jié)工藝下碳化硅性能
優(yōu)點(diǎn)：是應(yīng)用最廣泛的非氧化物陶瓷，硬度高，僅次于鉆石、立方氮化硼和碳化硼。由于其低密度和高硬度，這種陶瓷非常適合彈道保護(hù)，同時(shí)在力學(xué)性能、密度性能和彈道性能以及應(yīng)用的成本等方面都是氧化鋁和碳化硼之間的中間地帶。
應(yīng)用：
碳化硅陶瓷材料裝甲防護(hù)應(yīng)用
采用碳化硅陶瓷材料的以色列梅卡瓦坦克和SA330美洲豹直升機(jī)
（3）碳化硼
B4C 晶體屬于菱面體結(jié)構(gòu)類型，其菱面體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)單位晶胞共含有 15 個(gè)原子，其中12個(gè)原子（B11C）構(gòu)成了二十面體，形成一個(gè)空間立體結(jié)構(gòu)，而剩下的三個(gè)原子則相互組合構(gòu)成一個(gè) C-B-C 鏈。二十面體通過(guò)共價(jià)鍵與C-B-C 鏈相連形成一個(gè)較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。同時(shí)其構(gòu)成元素碳元素和硼元素性質(zhì)和原子半徑非常相似，造成 B4C 擁有一些其他非氧化物沒(méi)有的優(yōu)異性能。
B4C的晶體結(jié)構(gòu)
不同燒結(jié)工藝下碳化硼性能
優(yōu)點(diǎn)：近于恒定的高溫硬度以及良好的力學(xué)性能，同時(shí)，密度在幾種常用裝甲陶瓷中最低，加上彈性模量較高，使其成為軍事裝甲和空間領(lǐng)域材料方面的良好選擇。
缺點(diǎn)：由于硼原子和碳原子之間的共價(jià)鍵的高度共價(jià)性，其燒結(jié)性較差。因此，有必要使用非常接近材料熔點(diǎn)的高燒結(jié)溫度。這些高溫導(dǎo)致殘余孔隙和隨后的晶粒間距，從而惡化材料的性能和性能。因此，通常使用熱壓或熱等靜壓燒結(jié)，這會(huì)導(dǎo)致更高的制造成本。
應(yīng)用：
碳化硼陶瓷材料裝甲防護(hù)應(yīng)用
(a)“攔截者”防彈衣；(b)V-22魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)；（c）德國(guó)豹式坦克
三、防彈陶瓷的制備方法
從圖12各制備工藝的特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，目前發(fā)展較為成熟的工藝是反應(yīng)燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)和液相燒結(jié)，像熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)由于受到成熟性較低，生產(chǎn)成本較高，產(chǎn)品尺寸的限制等缺點(diǎn)而受限；對(duì)于超高壓燒結(jié)、微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)和等離子束熔融法這幾種制備工藝，雖然是較為新穎的制備手段，但成熟性最低，同時(shí)對(duì)于技術(shù)和設(shè)備的要求較高，需要投入的生產(chǎn)費(fèi)用高，實(shí)現(xiàn)批量化的可行性較低，對(duì)實(shí)際應(yīng)用意義不大。
各制備工藝特點(diǎn)
四、陶瓷大討論
自21世紀(jì)以來(lái)，防彈陶瓷發(fā)展迅速，其中以氧化鋁陶瓷（Al2O3）、碳化硅陶瓷（SiC）、碳化硼陶瓷（B4C）應(yīng)用最廣。由圖12可以看出，這3種陶瓷均為高彈性模量的材料，但斷裂韌性普遍較低，且碳化硅和碳化硼材料價(jià)格為氧化鋁材料的近乎10倍。綜合前面各陶瓷材料的優(yōu)缺點(diǎn)，氧化鋁由于密度最高，低彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性而受到了必要的限制。但是價(jià)格低廉，工藝成熟仍然是其最大優(yōu)勢(shì)；碳化硼則存在制造成本和原材料成本高，同時(shí)抗多次打擊的效率低，但密度低是其顯著優(yōu)點(diǎn)；對(duì)碳化硅而言，其在機(jī)械性能、密度和防彈性能以及應(yīng)用成本方面都介于氧化鋁和碳化硼之間，性價(jià)比最高，因此已成為現(xiàn)有最有應(yīng)用前途的防彈陶瓷材料之一。
各防彈陶瓷的性能對(duì)比
總結(jié)
總體而言，防彈陶瓷需要考慮防彈性能、質(zhì)量（面密度）、成本這3種因素，在不同的條件下，應(yīng)根據(jù)不同的防護(hù)要求，在防彈性能、質(zhì)量以及成本之間達(dá)到一種平衡，即在滿足防彈性能的前提下，使質(zhì)量與成本更低，才能更好地滿足需要。與此同時(shí)單相陶瓷斷裂韌性、脆性差的問(wèn)題也不容忽視。近年來(lái)專家學(xué)者們通過(guò)微觀調(diào)節(jié)包括多元陶瓷體系復(fù)合、功能梯度陶瓷、層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷的強(qiáng)韌化、輕量化和經(jīng)濟(jì)化，并且這樣的護(hù)甲相對(duì)于如今的裝甲重量輕，更好地提高了作戰(zhàn)單位的機(jī)動(dòng)性能。
參考文獻(xiàn)：
1、防彈裝甲中的陶瓷材料 吳燕平
2、防彈陶瓷的燒結(jié)工藝及發(fā)展現(xiàn)狀 羅娟等
3、碳化硅抗彈陶瓷的研究進(jìn)展及在裝甲防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用 魏汝斌等
4、碳化硼陶瓷的燒結(jié)與應(yīng)用新進(jìn)展 楊亮亮等
5、Review of ballistic performance of alumina: Comparison of alumina withsilicon carbide and boron carbide M.S.Boldin
作者：晴天
