中國(guó)粉體網(wǎng)訊  早期的主戰(zhàn)坦克，其鎢合金高速動(dòng)能穿甲彈的初速高達(dá)1700～1800m/s，能夠在1000m的距離上擊穿800mm的均質(zhì)裝甲鋼板；而發(fā)展到現(xiàn)在的第3代主戰(zhàn)坦克裝備的精密裝藥破甲彈的破甲威力更是可穿透1200～1500mm的均質(zhì)裝甲鋼板。

（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

隨著彈丸材料和性能的逐步升級(jí)，裝甲材料因此面臨著很大的挑戰(zhàn)。面對(duì)威脅力日益提高的“矛”，必須鑄就堅(jiān)不可摧的“盾”以提高軍事防護(hù)性能和安全等級(jí)。這一需求推動(dòng)了復(fù)合裝甲的加速研制與廣泛應(yīng)用，而其中重要的材料之一，就是高性能的防彈陶瓷材料。

1、陶瓷材料的防彈原理是什么

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)程大致可分為3個(gè)階段。（1）初始撞擊階段：彈丸撞擊陶瓷表面，使彈頭變鈍，在陶瓷表面粉碎形成細(xì)小且堅(jiān)硬的碎塊區(qū)的過(guò)程中吸收能量；（2）侵蝕階段：變鈍的彈丸繼續(xù)侵蝕碎塊區(qū)，形成連續(xù)的陶瓷碎片層；（3）變形、裂縫和斷裂階段：最后陶瓷中產(chǎn)生張應(yīng)力使陶瓷碎裂，隨后背板變形，剩余的能量全部由背板材料的變形所吸收。彈丸撞擊陶瓷的過(guò)程中，彈丸和陶瓷均受到破壞。

2、裝甲陶瓷對(duì)材料性能有哪些要求

因?yàn)樘沾杀旧淼拇嘈�，其受到彈丸沖擊時(shí)發(fā)生斷裂而不是塑性變形。在拉伸載荷作用下，斷裂首先發(fā)生在非均質(zhì)處如孔隙和晶界上。因此，為使微觀應(yīng)力集中降低到最小程度，裝甲陶瓷應(yīng)當(dāng)是孔隙率低（達(dá)理論密度值的99%）和細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量陶瓷。

材料性能及其對(duì)防彈性能的影響

3、影響防彈陶瓷性能的因素有哪些

（1）陶瓷的力學(xué)性能

據(jù)資料報(bào)道，防彈陶瓷的力學(xué)性能范圍應(yīng)是：彈性模量E≤280GN/m2、硬度HV≥2000，密度ρ≤3000kg/m3，陶瓷高的彈性模量可使彈頭在撞擊時(shí)變形和壓縮，而高硬度保證了彈頭侵徹陶瓷板時(shí)彈頭被犁削和粉碎，并吸收其能量。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(gè)參數(shù)中，氧化鋁陶瓷的抗穿甲防護(hù)系數(shù)對(duì)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防彈陶瓷防護(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防彈的薄弱處，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)合靶板防彈性能，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)

應(yīng)用于復(fù)合裝甲的防彈陶瓷可以是圓柱形、正方形和正六邊形，其中圓柱形陶瓷的防彈能力最好，但存在較大的空隙；正方形陶瓷塊有較多防彈性能差的直通縫，影響其防彈性能；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

防彈陶瓷在受到彈丸侵徹時(shí)，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)揮陶瓷高防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(méi)有約束的陶瓷材料。

4、用于裝甲防護(hù)的陶瓷材料有哪些

用于裝甲防護(hù)的陶瓷材料主要包括氧化鋁、碳化硼和碳化硅。

（1）氧化鋁陶瓷作為離子鍵化合物，化學(xué)鍵力強(qiáng)，熔點(diǎn)高（2050℃），具有良好的抗氧化性和化學(xué)惰性，燒結(jié)制品表面光潔、尺寸穩(wěn)定、價(jià)格低廉，故廣泛應(yīng)用于各類裝甲車輛和軍警防彈服等。但Al2O3較高的密度、偏低的硬度和斷裂韌性，使其防彈性能相對(duì)來(lái)說(shuō)較低。

（2）碳化硼是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，共價(jià)鍵高達(dá)93.9%，具有高的熔點(diǎn)，超常的硬度（35~45GPa），僅次于金剛石和立方氮化硼，尤其是近于恒定的高溫硬度以及良好的力學(xué)性能，使B4C成為發(fā)展?jié)摿�很大的高溫耐磨材料之一。B4C的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。B4C存在的主要問(wèn)題是價(jià)格昂貴（是氧化鋁的10倍左右）、脆性較大，限制了其作為單相防護(hù)裝甲的廣泛應(yīng)用。

（3）碳化硅共價(jià)鍵極強(qiáng)，在高溫下仍具有高強(qiáng)度的鍵合，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)賦予了碳化硅陶瓷優(yōu)異的強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、高熱導(dǎo)率、良好的抗熱震性等性能；同時(shí)碳化硅陶瓷價(jià)格適中，性價(jià)比高，是最有發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅苎b甲防護(hù)材料之一。

適合于制作裝甲的陶瓷性能

5、典型防彈陶瓷的制備工藝及材料技術(shù)趨勢(shì)

從陶瓷材料制備工藝的特點(diǎn)可以看出，目前工藝發(fā)展較為成熟的是反應(yīng)燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)和液相燒結(jié)，這3種燒結(jié)方式的生產(chǎn)成本較低，制備工藝較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的可能性較高。熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)受到產(chǎn)品尺寸的限制，生產(chǎn)成本較高，成熟性較低，超高壓燒結(jié)、微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)和等離子束熔融法綜合來(lái)說(shuō)成熟性最低，是較為新穎的制備手段，但對(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，常用于實(shí)驗(yàn)探索階段。

隨著裝甲系統(tǒng)輕量化、高效化的發(fā)展需求，防彈陶瓷的優(yōu)越性愈加凸顯。從單相陶瓷、多相陶瓷到纖維復(fù)合陶瓷，材料的斷裂韌性在逐步提高，抗多發(fā)打擊能力不斷得到升級(jí)。隨著材料制備技術(shù)的發(fā)展，更高性能的新材料不斷被開(kāi)發(fā)和研究。納米材料、層狀結(jié)構(gòu)為材料設(shè)計(jì)者提供了許多新的選擇，用于創(chuàng)造更加奇特的復(fù)合材料以最大限度地降低沖擊破壞的擴(kuò)展。碳納米管顯示出了極高的強(qiáng)度和剛度，無(wú)機(jī)富勒烯在能量吸收方面潛力巨大。除了材料的發(fā)展，設(shè)計(jì)新型復(fù)合裝甲也是研究的另一個(gè)熱點(diǎn)。

6、提高防彈陶瓷性能的技術(shù)途徑有哪些

目前，提高防護(hù)裝甲用防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(kāi)發(fā)的塑料陶瓷具有比純陶瓷更好的防彈性能，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)合裝甲有更好的防彈性能。

（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(lái)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%。

7、全球防彈裝甲陶瓷材料的發(fā)展現(xiàn)狀

陶瓷防彈裝甲在國(guó)際上因反恐戰(zhàn)爭(zhēng)而成為快速成長(zhǎng)的一個(gè)產(chǎn)業(yè)。不論是人體防護(hù)還是車輛裝甲防護(hù)，先進(jìn)陶瓷擁有許多優(yōu)于常規(guī)材料的特點(diǎn)，主要包括質(zhì)量輕，硬度高，可對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一控制，因此可以抵御更嚴(yán)重的威脅。

陶瓷防彈背心

主要的防彈陶瓷材料如碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)、氧化鋁(Al2O3)等高硬度陶瓷材料中，碳化硅陶瓷因硬度高、防彈效果好且制造成本遠(yuǎn)低于防彈性能更好的碳化硼陶瓷，近幾年成為國(guó)際防彈陶瓷的主流產(chǎn)品，包括人體防彈背心、直升機(jī)腹部防彈層、坦克裝甲車防彈層等。例如美國(guó)賽瑞丹公司(Ceradyne)每年給美國(guó)軍方提供的防彈陶瓷裝甲達(dá)到10億美元以上。

國(guó)際上知名公司生產(chǎn)的SiC防彈陶瓷材料的性能

參考來(lái)源：

謝志鵬等：國(guó)際先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r

劉勝等：陶瓷復(fù)合裝甲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

吳燕平等：防彈裝甲中的陶瓷材料

任彥：防彈陶瓷在復(fù)合裝甲中的應(yīng)用

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