防弹陶瓷材料
01陶瓷材料防弹原理
装甲防护的基本原理是消散弹丸的能量, 减慢速度并使其无害. 而大多数传统工程材料, 例如金属, 通过结构的塑性变形吸收能量, 陶瓷通过微破裂过程吸收能量.
防弹陶瓷 能量吸收过程大致可分为 3 阶段:
(1) 初始冲击阶段: 弹丸撞击陶瓷表面, 使弹头变钝, 在吸收能量的过程中，陶瓷表面被破碎，形成细小、坚硬的破碎区域;
(2) 侵蚀阶段: 变钝的弹丸继续侵蚀破碎区, 形成连续的陶瓷碎片层;
(3) 形变, 开裂和断裂阶段: 最后, 陶瓷中的拉应力导致陶瓷碎裂, 其次是背板变形, 所有剩余能量被背板材料的变形吸收. 弹丸撞击陶瓷过程中, 弹丸和陶瓷均损坏.
02防弹陶瓷对材料性能的要求
由于陶瓷本身的脆性, 它的影响是弹丸断裂而不是塑性变形. 拉伸载荷下, 断裂首先发生在孔隙和晶界等不均匀的地方. 所以, 以尽量减少微观应力集中, 装甲陶瓷应具有低孔隙率的高质量 (取决于 99% 理论密度值) 和细晶粒结构.
03 最常用的防弹陶瓷材料
21世纪以来, 防弹陶瓷的快速发展, 更多类型, 包括氧化铝, 碳化硅, 碳化硼, 氮化硅, 硼化钛, 取决于操作条件, 其中氧化铝陶瓷 (铝2O₃), 碳化硅陶瓷 (碳化硅), 碳化硼陶瓷 (B4C) 是使用最广泛的.
氧化铝陶瓷具有最高的密度, 但硬度比较低, 处理门槛低, 价格低, 按纯度分为 85/90/95/99 氧化铝陶瓷, 相应的硬度和价格也依次上涨.
不同防弹陶瓷材料的性能比较
碳化硅陶瓷密度比较低, 高硬度, 属于高性价比结构陶瓷, 因而是目前国内应用最广泛的防弹陶瓷.
碳化硼陶瓷在这些陶瓷中密度最低, 最高硬度, 但同时它的加工要求也非常高, 需要高温高压烧结, 因此成本也是这三种陶瓷中最高的.
三种比较常见的防弹陶瓷材料对比, 氧化铝防弹陶瓷成本最低，但防弹性能远不如碳化硅和碳化硼, 所以目前国内防弹陶瓷生产单位大多是碳化硅和碳化硼防弹, 而氧化铝陶瓷却很少见. 但单晶氧化铝可以用来制备透明陶瓷, 被广泛用作具有光功能的透明材料, 戴着士兵防弹面具, 导弹探测窗, 车辆观察窗, 潜艇潜望镜等军事装备的应用.
04两种最受欢迎的防弹陶瓷材料
碳化硅防弹陶瓷
碳化硅共价键极强, 在高温下仍具有高强度粘合, 这种结构特征赋予碳化硅陶瓷优异的强度, 高硬度, 耐磨性, 耐腐蚀性能, 高导热性, 良好的耐热震性等性能; 同时碳化硅陶瓷价格适中, 性价比高, 也是最具发展潜力的高性能装甲防护材料之一.
碳化硅陶瓷在装甲防护领域有着广阔的发展空间, 在作战装备和特种车辆等领域应用趋于多元化. 作为防护装甲材料, 考虑到成本和特殊应用等因素, 通常将小排陶瓷面板和复合背板粘合成陶瓷复合靶板, 为了克服陶瓷由于拉应力而失效, 并确保弹丸穿透时仅击碎单片装甲，而不破坏整个装甲.
碳化硼防弹陶瓷
碳化硼是目前已知材料中硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的超硬材料, 硬度高达3000kg/mm²; 低密度, 仅2.52克/立方厘米, 1/3 钢材的; 高弹性模量, 450帕; 高熔点约 2447 ℃; 热膨胀系数低, 高导热性. 此外, 碳化硼具有良好的化学稳定性, 耐酸碱腐蚀, 常温下不与酸、碱及大多数无机化合物和液体发生反应, 只存在于氢氟酸中 – 硫酸, 氢氟酸 – 缓慢腐蚀的硝酸混合物; 并且大部分熔融金属没有润湿, 不会发生. 碳化硼还具有非常好的吸收中子的能力, 这是其他陶瓷材料所不具备的。B4C是几种常用装甲陶瓷中密度最低的, 加上高弹性模量, 使其成为军用装甲和航天材料的良好选择。B4C的主要问题是价格昂贵 (关于 10 比氧化铝贵几倍), 脆, 这限制了其作为单相防护装甲的广泛应用. B4C的主要问题是价格昂贵 (关于 10 比氧化铝贵几倍) 且易碎, 限制了其作为单相防护装甲的广泛使用.
05 一种防弹陶瓷的制备方法
从陶瓷材料的制备工艺特点可以看出, 目前工艺发展比较成熟的是反应烧结, 无压烧结和液相烧结, 这三种烧结方法的生产成本较低, 制备过程更简单, 并且实现量产的可能性更高. 热压烧结和热等静压烧结会相对受到产品尺寸的限制, 生产成本较高，成熟度较低. 超高压烧结, 微波烧结, 放电等离子烧结和等离子束熔化法成熟度最低, 是比较新颖的制备手段, 但对技术和设备要求较高, 需要投入的生产成本高, 实现批量生产的可行性较低, 常用于实验探索阶段, 实际应用意义不大，实现产业化难度较大.
06 升级防弹陶瓷
虽然碳化硅和碳化硼的防弹潜力很大, 单相陶瓷断裂韧性差、脆性问题不容忽视. 以及现代科学技术的发展对防弹陶瓷的功能性和经济性的要求: 多功能的, 高性能, 轻的, 成本低、安全. 所以, 近年来专家学者希望通过微观调控, 包括多种陶瓷系统复合材料, 功能梯度陶瓷, 分层结构设计, 等等. 达到陶瓷韧性, 轻量且经济, 而且这样的铠甲相对于今天的铠甲重量轻, 更好地提高作战部队的机动性.
功能梯度陶瓷即通过微设计使材料性能有规律的变化. 例如, 硼化钛和金属钛, 还有氧化铝, 碳化硅, 碳化硼, 氮化硅和铝金属金属和其他金属 / 陶瓷复合系统, 沿梯度位置厚度的性能, 那是, 高硬度向高韧性过渡防弹陶瓷的制备.
纳米复合相陶瓷是在陶瓷基体中添加亚微米或纳米级分散颗粒构成的复合相陶瓷. 如SiC-Si3N4和Al2O3, B4C碳化硅, 取决于操作条件, 硬度, 陶瓷的韧性和强度得到提高. 据悉，西方国家正在研究纳米级粉末的烧结，制备晶粒尺寸为数十纳米的陶瓷, 达到材料韧性, 防弹陶瓷有望在这方面取得重大突破.
07 总结
无论是单相陶瓷还是复合陶瓷, 最好的防弹陶瓷材料仍然离不开碳化硅和碳化硼这两种材料. 特别是碳化硼材料, 随着烧结技术的发展, 碳化硼陶瓷卓越性能越来越凸显, 在防弹领域的应用将得到进一步发展.
