當(dāng)今世界的主旋律是和平與發(fā)展，這是各國人民共同追求的目標(biāo)。然而，在近幾十年來，各種各樣的局部戰(zhàn)爭從來就沒有停止過，特別是近年來極端恐怖組織的出現(xiàn)和破壞活動的加劇，已經(jīng)使世界和平面臨巨大威脅，從而使打擊恐怖活動已經(jīng)成為了當(dāng)務(wù)之急。在如此的國際大環(huán)境下，世界各國紛紛投入巨大資金進(jìn)行各種高性能武器裝備的研發(fā)和制造，一些殺傷力巨大和對人類生存環(huán)境具有高破壞力的武器裝備不斷投入使用。以主戰(zhàn)坦克為例，其鎢合金高速動能穿甲彈的初速高達(dá)1 700～1 800m/s，可以在1 000m的距離上擊穿800mm的均質(zhì)裝甲鋼板;而現(xiàn)在各國第3代主戰(zhàn)坦克裝備的精密裝藥破甲彈的破甲威力可穿透1 200～1 500mm的均質(zhì)裝甲鋼板，因此，通過增加裝甲鋼的厚度來抵御對于坦克和裝甲車輛的攻擊根本不可能實(shí)現(xiàn)，這一狀況促進(jìn)了復(fù)合裝甲的加速研制和廣泛應(yīng)用。目前，先進(jìn)的復(fù)合裝甲在垂直厚度200～250mm大傾角安裝時，就可有效地抵御穿甲彈和破甲彈對坦克的首上和炮塔的侵徹，而其中重要的材料之一就是高性能的抗彈陶瓷材料。

 

　　從20世紀(jì)60年代，韋爾金斯發(fā)現(xiàn)陶瓷材料具有很好的彈道防護(hù)性能以來，美國的科學(xué)家將氧化鋁(Al2O3)陶瓷塊粘到鋁背板上制備成防7.62mm穿甲彈侵徹的復(fù)合裝甲。之后，美國研制出了硬度略低于金剛石的低密度碳化硼(B4C)用于飛機(jī)的抗彈陶瓷裝甲。到20世紀(jì)70年代后，美國等西方國家已將抗彈陶瓷復(fù)合裝甲廣泛地應(yīng)用在運(yùn)兵車、坦克、軍機(jī)等軍事裝備上[2]。由于抗彈陶瓷材料，具有高強(qiáng)度、高硬度、低密度、耐腐蝕、高耐磨等特點(diǎn)，可極大地提高武器裝備防穿甲、防破甲的防護(hù)性能，從而成為復(fù)合裝甲系統(tǒng)不可或缺的重要材料。此外，抗彈陶瓷材料還可用于飛機(jī)、艦船、車輛等的抗彈防護(hù)防，以及各種防彈衣和防彈背心，以提高裝備和人體的防護(hù)性能，因此抗彈陶瓷材料的應(yīng)用將會越來越廣泛。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用的抗彈陶瓷主要有氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、碳化硼、氮化鋁、氮化硅、硼化鈦等。大量研究表明，影響陶瓷材料在復(fù)合裝甲上應(yīng)用的主要因素是陶瓷材料本身具有的易脆性，近年來通過陶瓷復(fù)合化和改進(jìn)復(fù)合裝甲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在克服陶瓷脆性的影響方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。總之，進(jìn)一步提高抗彈陶瓷的硬度、強(qiáng)度、韌性和使用可靠性，并大幅度降低抗彈陶瓷的價格，才能更好地?cái)U(kuò)大抗彈陶瓷的應(yīng)用。

 

　　典型抗彈陶瓷的特性及其制備方法

 

　　近幾十年來，科研人員對于各種陶瓷材料進(jìn)行了大量的防穿甲及防破甲性能的試驗(yàn)研究，表明硬度高、強(qiáng)度高、韌性好的陶瓷材料均有良好的抗彈性能，但由于受到材料的制備技術(shù)、價格和原材料來源等因素的影響，實(shí)際在復(fù)合裝甲中大量應(yīng)用的陶瓷主要是氧化鋁和碳化硅2種陶瓷。

 

　　1.氧化鋁陶瓷

 

　　氧化鋁(A12O3)是一種離子鍵型的化合物，其熔點(diǎn)為2 050℃，其單晶體A12O3的硬度高達(dá)莫氏硬度的九級，略低于金剛石的硬度，且在1 500℃時仍然具有較高的硬度和強(qiáng)度，并具有優(yōu)異的抗氧化性和化學(xué)惰性，而其最大的缺點(diǎn)是脆性特別高。

 

　　氧化鋁陶瓷是以A12O3為主要晶相的一種陶瓷材料，其氧化鋁的含量一般在75%～99%之間，剛玉瓷的氧化鋁含量在90%以上。工業(yè)應(yīng)用的A12O3是由鋁礬土(A12O3·3H2O)和硬水鋁石制備的，對于純度要求高的A12O3，一般用化學(xué)方法來制備，而用上述原料加碳在電弧爐中加熱到2 000～2 400℃熔融而制得的氧化鋁則稱為人造剛玉。工業(yè)上粉末法制備純A12O3陶瓷，一般采用無壓燒結(jié)，其燒結(jié)溫度在1 700℃左右或更高。此外，為提高A12O3的綜合性能還采用熱壓、熱等靜壓等特殊燒結(jié)方法制備，但這會大幅度提高氧化鋁陶瓷的制造成本。為降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度，目前主要是采取加入一些添加劑的方法，二氧化鈦(TiO2)、氧化鉺(Er2O3)、氧化釔(Y2O3)等添加劑可與氧化鋁在高溫時形成固溶體;高嶺土、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鍶(SrO)、氧化鋇(BaO)和二氧化硅(SiO2)等添加劑在高溫時形成少量液相，使燒結(jié)在少量液相參與下完成。

 

　　近年來，為了大幅度提高氧化鋁陶瓷的抗彈性能，還開發(fā)出了復(fù)相氧化鋁陶瓷，即在氧化鋁中加入第二相，以期對氧化鋁陶瓷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)增硬。復(fù)相陶瓷的開發(fā)，對于改進(jìn)A12O3和氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、SiO2、二氧化鋯(ZrO2)等工程陶瓷也具有增強(qiáng)、增硬、增韌等的良好效果。由于加入的添加劑可以是陶瓷顆粒、晶須或金屬材料，而且大多添加物質(zhì)可以保持其原有材料的性能，從而有效地提高了氧化鋁的綜合抗彈性能。特別是在燒結(jié)過程中原位生長形成的補(bǔ)強(qiáng)相，雖然它們與基體相也有相界面，但它們?nèi)钥杀３制涔逃械牧W(xué)性能。目前，在陶瓷中加入的補(bǔ)強(qiáng)相主要是碳化硅晶須(SiCw)、SiC、SiC短纖維、純鈦(TiCP)、二氧化鋯顆粒〔ZrO2P(ZTA)〕等。實(shí)驗(yàn)表明，在氧化鋁陶瓷中加入第二相(SiCp)制備的高性能復(fù)相氧化鋁，經(jīng)實(shí)彈打靶測試，其抗彈性能比單相氧化鋁陶瓷有大幅度的提高。

 

　　2.碳化硅陶瓷

 

　　碳化硅(SiC)是典型的共價鍵化合物，其硬度介于金剛石和剛玉之間，而力學(xué)性能高于剛玉。碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)有六方或菱面體的α-SiC和立方體的β-SiC兩種，β-SiC在溫度達(dá)到2 100℃以上時可轉(zhuǎn)變成為α-SiC。碳化硅陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能高，除大量用作磨料外，作為結(jié)構(gòu)材料也有廣泛的用途。由于碳化硅陶瓷具有很高的抗彎強(qiáng)度、抗氧化性、抗磨損性和較低的摩擦系數(shù)，而且其高溫強(qiáng)度、高溫抗蠕變等性能等均優(yōu)于其他陶瓷材料。因此，碳化硅陶瓷的彈道性能不僅優(yōu)于氧化鋁陶瓷，而且其抗彈性能大約是碳化硼陶瓷的70%～80%，加之碳化硅的價格低廉，因而成為抗彈陶瓷的首選材料。碳化硅陶瓷的最大缺點(diǎn)是斷裂韌性較差，且脆性較大，為此近年來已經(jīng)研制成功了多種以SiC為基的復(fù)相碳化硅陶瓷，如通過加入纖維(或晶須)進(jìn)行增強(qiáng)，加入異相顆粒彌散強(qiáng)化和制成梯度功能陶瓷等方法，都可有效地提高碳化硅陶瓷的韌性和強(qiáng)度。

 

　　由于碳化硅是非常穩(wěn)定的化合物，而且因其原子擴(kuò)散系數(shù)較低，用普通的燒結(jié)方法很難達(dá)到材料的致密化，因而通常需要添加助劑降低其表面能和增加表面積，或者是采用特殊的燒結(jié)技術(shù)。目前，已經(jīng)開發(fā)出的高性能碳化硅的燒結(jié)工藝有：重結(jié)晶碳化硅陶瓷、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、熱壓燒結(jié)碳化硅、高溫?zé)岬褥o壓燒結(jié)碳化硅及化學(xué)氣相沉積碳化硅等。

 

　　3.影響抗彈陶瓷性能的因素

 

　　(1) 陶瓷的力學(xué)性能

 

　　據(jù)資料報(bào)道，抗彈陶瓷的力學(xué)性能范圍應(yīng)是：彈性模量E≤280 GN/m2、硬度HV≥2 000，密度ρ≤3 000 kg/m3，陶瓷高的彈性模量可使彈頭在撞擊時變形和壓縮，而高硬度保證了彈頭侵徹陶瓷板時彈頭被犁削和粉碎，并吸收其能量[7，8]。數(shù)值仿真表明，陶瓷的剪切模量、彈性極限、拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及抗損傷能力這5個參數(shù)中，氧化鋁陶瓷的抗穿甲防護(hù)系數(shù)對剪切模量最敏感，提高陶瓷剪切模量有望成為提高氧化鋁基抗彈陶瓷防護(hù)性能的最有效途徑。

 

　　(2)陶瓷的尺寸效應(yīng)

 

　　由于小塊陶瓷拼接的面板接縫多成為抗彈的薄弱處，而大尺寸的單塊陶瓷板中彈后的破損面積大，降低了復(fù)合板的剛度，影響抗多次打擊的能力。研究表明，為了發(fā)揮陶瓷復(fù)合靶板抗彈性能，陶瓷塊的最小尺寸應(yīng)該大于中彈后形成完整破碎錐的尺寸。

 

　　(3) 陶瓷的形狀效應(yīng)

 

　　用于復(fù)合裝甲的抗彈陶瓷可以是圓柱形、正方形和正六邊形，其中圓柱形陶瓷的抗彈能力最好，但存在較大的空隙;正方形陶瓷塊有較多抗彈性能差的直通縫，影響其抗彈性能;正六邊形陶瓷綜合性能較好，但要求陶瓷塊的形狀尺寸要精確。

 

　　(4) 陶瓷的約束方法

 

　　抗彈陶瓷在受到彈丸侵徹時，只有在保持其體積完整性和不擴(kuò)容性的狀態(tài)下，才能充分發(fā)揮陶瓷高抗彈性能所具有的各種耗能機(jī)制。研究表明，在良好的約束條件下，陶瓷的抗侵徹性能大大優(yōu)于沒有約束的陶瓷材料。

 

　　4.提高抗彈陶瓷性能的技術(shù)途徑

 

　　目前，提高防護(hù)裝甲用抗彈陶瓷性能的主要途徑有：

 

　　(1)纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)

 

　　SiC纖維/SiC復(fù)合陶瓷比純SiC陶瓷的應(yīng)變量可增大9倍;加入連續(xù)碳纖維的Si3N4比純Si3N4的斷裂韌性可提高4倍多。另外，新開發(fā)的塑料陶瓷具有比純陶瓷更好的抗彈性能，而且還可承受多發(fā)彈丸的連續(xù)侵徹。

 

　　(2)梯度功能材料

 

　　采用特殊的工藝方法，制備陶瓷到金屬連續(xù)變化的復(fù)合陶瓷材料，可比陶瓷板和金屬板組合的復(fù)合裝甲有更好的抗彈性能。

 

　　(3)陶瓷表面處理

 

　　為了有效地提高陶瓷的抗裂性，可采用機(jī)械化學(xué)拋光、表面微氧化、氣相沉積和激光表面處理等方法來改善陶瓷的表面狀態(tài)。另外，用離子注入法在氧化鋁陶瓷表面注入金屬離子可使其表面的硬度提高約50%;可使碳化硅和氮化硅的彎曲強(qiáng)度提高20%～30%。

 

　　陶瓷在復(fù)合裝甲上的應(yīng)用

 

　　陶瓷復(fù)合裝甲是由具有高硬度的脆性材料與高強(qiáng)韌的金屬材料和非金屬材料組合而成的一種具有良好抗彈效果的新型裝甲，它們在現(xiàn)代裝甲防護(hù)中已經(jīng)得到非常廣泛的研究和實(shí)際應(yīng)用。大量的試驗(yàn)表明，當(dāng)抗彈陶瓷板與彈丸高速碰撞時，陶瓷本身具有的高壓縮強(qiáng)度和高硬度將使彈丸發(fā)生變形、斷裂或偏轉(zhuǎn);而在彈丸侵徹陶瓷板的過程中，被沖擊破碎的陶瓷粉末將會向桿體運(yùn)動的相反方向發(fā)生噴射，使彈丸的侵徹受到極大的摩擦阻力;在這些碎片和粉末對彈丸磨蝕作用下，可使彈桿消耗減短和變形，最終使彈丸失去其侵徹動能而終止對裝甲的繼續(xù)破壞[13,14]。然而，由于陶瓷材料也有本身的缺點(diǎn)，如韌性差、斷裂強(qiáng)度低、容易粉碎等，且其受到制備條件的限制，通常陶瓷塊的尺寸較小等，所以復(fù)合裝甲需要在陶瓷板前有一層高韌性的金屬面板，并在其后面還需要有一層支撐陶瓷層的高強(qiáng)度金屬板。這樣，就可利用減少等面密度來提高整個復(fù)合裝甲的綜合防護(hù)能力。復(fù)合裝甲采用這樣的結(jié)構(gòu)是因?yàn)榻饘倜姘鍖μ沾伤槠磸楏w軸向運(yùn)動的抑制作用增強(qiáng)了陶瓷碎片對彈體的磨蝕作用，同時在陶瓷板前的金屬板對脆性陶瓷還具有一定的約束作用，從而可大大提高陶瓷塊的抗彈能力。

 

　　碳化硅陶瓷以優(yōu)異的力學(xué)性能和性價比成為最有應(yīng)用前途的防彈陶瓷材料之一，在單兵裝備、陸軍裝甲武器、武裝直升機(jī)、警、民用特種車輛等諸多裝甲防護(hù)領(lǐng)域中的多元化應(yīng)用，使其具有廣闊的應(yīng)用空間。碳化硼陶瓷材料有一定的韌性且硬度很高，經(jīng)碳化硼板與碳化硼(B4C)基復(fù)合材料制成Ф82mm×15mm的靶板靶試表明，這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合板可抗住2發(fā)7.62mm穿甲燃燒彈的攻擊，其防護(hù)面密度為38kg/m2[18]。目前，陶瓷/背板復(fù)合裝甲是結(jié)構(gòu)最簡單、研究最多的輕型復(fù)合裝甲，面板常采用A12O3、SiC、B4C、氮化硼(BN)陶瓷等;背板通常采用韌性好的復(fù)合材料，如芳綸、高強(qiáng)聚乙烯復(fù)合板等;兩者的粘結(jié)一般采用橡膠膠粘劑、酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂等。

 

　　陶瓷板在形成陶瓷錐的粉碎區(qū)時，將彈丸的侵徹轉(zhuǎn)化為沖擊作用，保證了陶瓷復(fù)合靶板有效地抵抗穿甲彈的侵徹。彈著點(diǎn)在陶瓷塊中心區(qū)時，可完整形成粉碎的陶瓷錐;當(dāng)彈著點(diǎn)在陶瓷塊邊沿區(qū)時，不能形成完整的陶瓷錐，致使靶板的抗彈能力顯著下降，一般可使復(fù)合裝甲陶瓷塊的抗彈能力降低約30%。通過聚能射流對約束及非約束陶瓷靶進(jìn)行抗侵徹性能的實(shí)驗(yàn)研究表明，有約束和無約束陶瓷的質(zhì)量防護(hù)系數(shù)全都優(yōu)于45鋼;有約束陶瓷的抗射流侵徹能力大大優(yōu)于非約束陶瓷。通過三維約束可有效地限制陶瓷板在彈丸沖擊時的擴(kuò)容和飛濺，增加彈丸在陶瓷板內(nèi)部的駐留時間，提高復(fù)合裝甲的抗彈性能，還可以提高復(fù)合裝甲抗抵御重復(fù)打擊能力。最近研究的金屬封裝陶瓷復(fù)合裝甲，其典型結(jié)構(gòu)為陶瓷塊被封裝在由金屬蓋板、金屬框和金屬背板構(gòu)成的類似蜂窩的結(jié)構(gòu)內(nèi)。目前，制備金屬封裝陶瓷復(fù)合裝甲的方法有：組件熱壓集成法、陶瓷粉末燒結(jié)法、金屬噴射沉積法和金屬澆鑄法等。

 

　　近些年來，隨著各種反裝甲彈藥性能的日益提高，對于戰(zhàn)場上武器裝備和人員的生存能力的威脅越來越大，這就對裝甲防護(hù)材料性能提出了更高的抗彈性能要求，從而大大促進(jìn)了防護(hù)材料朝著高強(qiáng)韌化、輕量化、多功能化和高效能化的方向發(fā)展。目前，陶瓷復(fù)合裝甲的應(yīng)用已從坦克、艦船用的重型裝甲向裝甲車輛、飛機(jī)等輕型復(fù)合裝甲方向擴(kuò)展，這將會對陶瓷復(fù)合裝甲的應(yīng)用和研究產(chǎn)生非常重要的影響，也必然將對抗彈陶瓷的研究和開發(fā)提供更加廣闊的應(yīng)用空間。可喜的是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，利用數(shù)值模擬方法研究陶瓷復(fù)合裝甲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗彈性能，將會大幅度地降低研制成本和提高新材料、新結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)程，從而成為抗彈陶瓷及復(fù)合裝甲研制中極為重要的技術(shù)手段。可以預(yù)料，隨著抗彈陶瓷材料研究的不斷推進(jìn)，將會使我國復(fù)合裝甲技術(shù)水平得到巨大的提升，也將會對我國防護(hù)裝甲技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生非常重要的影響。

圖片來源：找項(xiàng)目網(wǎng)