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【深涂學(xué)會 科普知識】防彈界的“絕代雙驕”——陶瓷材料
在大家的印象里，陶瓷是易碎品。但經(jīng)過現(xiàn)代科技加工后，陶瓷“搖身一變”，成為了一種堅(jiān)硬、高強(qiáng)度的新材料，尤其是在對材料有特殊物理性能要求的防彈領(lǐng)域，陶瓷更是大放異彩，成為非常熱門的防彈材料。 01 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)到無害。絕大部分傳統(tǒng)的工程材料，如金屬材料通過結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形來吸收能量，而陶瓷材料則是通過微破碎過程吸收能量。
防彈陶瓷的吸能過程大致可分為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。彈丸撞擊陶瓷的過程中，彈丸和陶瓷均受到破壞。 02 防彈陶瓷對材料性能的要求 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。
03 最常用的防彈陶瓷材料 自21世紀(jì)以來，防彈陶瓷發(fā)展迅速，種類較多，包括氧化鋁、碳化硅、碳化硼、氮化硅、硼化鈦等，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。 -氧化鋁陶瓷密度最高，但硬度相對較低，加工門檻較低，價(jià)格較低，依據(jù)純度分為85／90／95／99氧化鋁陶瓷，相應(yīng)的硬度和價(jià)格也依次增高。
不同防彈陶瓷材料性能對比 -碳化硅陶瓷密度相對較低，硬度較高，屬于性價(jià)比較高的結(jié)構(gòu)陶瓷，因此也是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的防彈陶瓷。 -碳化硼陶瓷在這幾種陶瓷中密度最低，硬度最高，但同時(shí)其對加工工藝的要求也很高，需要高溫高壓燒結(jié)，因而成本也是這3種陶瓷中最高的。
比較這三種較為常見的防彈陶瓷材料，氧化鋁防彈陶瓷的成本最低但防彈性能遠(yuǎn)不如碳化硅與碳化硼，因此目前國內(nèi)關(guān)于防彈陶瓷的的生產(chǎn)單位中碳化硅和碳化硼防彈居多，而氧化鋁陶瓷則很少見。但是單晶氧化鋁卻可以用來制備透明陶瓷，被廣泛用作光功能透明材料，在單兵防彈面罩、導(dǎo)彈探測窗口、車輛觀察窗、潛艇潛望鏡等軍事裝備上加以應(yīng)用。 04 最受歡迎的兩種防彈陶瓷材料 碳化硅防彈陶瓷 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。 碳化硅陶瓷在裝甲防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間，在單兵裝備和特種車輛等領(lǐng)域的應(yīng)用趨于多元化。作為防護(hù)裝甲材料時(shí)，考慮到成本及特殊應(yīng)用場合等因素，通常將小塊排布的陶瓷面板與復(fù)合材料背板黏結(jié)成陶瓷復(fù)合靶板，以克服陶瓷由于拉應(yīng)力引起的失效，并確保彈丸侵徹時(shí)只粉碎單塊而不破壞裝甲整體。
碳化硼防彈陶瓷 碳化硼是目前已知材料中硬度僅次于金剛石和立方氮化硼的超硬材料，硬度高達(dá)3000kg/mm²；密度低，僅為2.52g/cm³，是鋼鐵的1/3；彈性模量高，為450GPa；熔點(diǎn)高，約為2447℃；其熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱率較高。此外，碳化硼具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸耐堿腐蝕，在常溫下不與酸堿及大多數(shù)無機(jī)化合物液體反應(yīng)，僅在氫氟酸-硫酸、氫氟酸-硝酸混合液中有緩慢的腐蝕；且與大多數(shù)熔融金屬不潤濕、不發(fā)生作用。碳化硼還具有很好的吸收中子能力，這是其它陶瓷材料不具備的。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。
05 防彈陶瓷的制備方法 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)相對來說會受到產(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說成熟性最低，是較為新穎的制備手段，但對于技術(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，對實(shí)際應(yīng)用意義不大，較難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
典型防彈陶瓷的制備工藝 06 防彈陶瓷的升級 盡管碳化硅與碳化硼的防彈潛力非常大，但單相陶瓷斷裂韌性、脆性差的問題卻不容忽視。而現(xiàn)代科技的發(fā)展對防彈陶瓷的功能性與經(jīng)濟(jì)性提出了要求：多功能、高性能、輕質(zhì)、低成本和安全性。因此，專家學(xué)者們近年來希望通過微觀調(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)甲相對于如今的裝甲重量輕，更好地提高了作戰(zhàn)單位的機(jī)動性能。 功能梯度陶瓷即通過微觀設(shè)計(jì)組分材料性能呈規(guī)律性變化。比如硼化鈦與金屬鈦以及氧化鋁、碳化硅、碳化硼、氮化硅與金屬鋁等金屬/陶瓷復(fù)合體系，性能沿厚度位置呈梯度變化，即制備出從高硬度過渡到高韌性防彈陶瓷。 納米復(fù)相陶瓷是將亞微米級或納米級分散粒子添加到基體陶瓷中構(gòu)成的復(fù)相陶瓷。如SiC-Si3N4-Al2O3、B4C-SiC等，對陶瓷的硬度、韌性和強(qiáng)度有一定的提高。據(jù)報(bào)道，西方國家正在研究將納米級粉體燒結(jié)制備出晶粒尺寸幾十納米的陶瓷，實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)韌化，防彈陶瓷有望在這方面實(shí)現(xiàn)大的突破。 07 總結(jié) 不管是單相陶瓷還是復(fù)相陶瓷，最優(yōu)良的防彈陶瓷材料還是離不開碳化硅、碳化硼這兩種材料。尤其是碳化硼材料，隨著燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展，碳化硼陶瓷的優(yōu)異性越來越突出，在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用會被進(jìn)一步開發(fā)。 聲明：本號對轉(zhuǎn)載、分享、陳述、觀點(diǎn)保持中立,目的僅在于行業(yè)交流,版權(quán)歸原作者所有。如涉版權(quán)和知識產(chǎn)權(quán)等侵權(quán)問題,請與本號后臺聯(lián)系,即刻刪除內(nèi)容處理。
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