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随着弹丸材料和性能的逐步升级,装甲材料因此面临着很大的挑战。面对威胁力日益提高的“矛”,必须铸就坚不可摧的“盾”以提高军事防护性能和安全等级。这一需求推动了复合装甲的加速研制与广泛应用,而其中重要的材料之一,就是高性能的防弹陶瓷材料。
装甲防护的基本原理是消耗射弹能量、使射弹减速并达到无害。绝大部分传统的工程材料,如金属材料通过结构发生塑性变形来吸收能量,而陶瓷材料则是通过微破碎过程吸收能量。
装甲陶瓷的吸能过程大致可分为3个阶段。(1)初始撞击阶段:弹丸撞击陶瓷表面,使弹头变钝,在陶瓷表面粉碎形成细小且坚硬的碎块区的过程中吸收能量;(2)侵蚀阶段:变钝的弹丸继续侵蚀碎块区,形成连续的陶瓷碎片层;(3)变形、裂缝和断裂阶段:最后陶瓷中产生张应力使陶瓷碎裂,随后背板变形,剩余的能量全部由背板材料的变形所吸收。弹丸撞击陶瓷的过程中,弹丸和陶瓷均受到破坏。
因为陶瓷本身的脆性,其受到弹丸冲击时发生断裂而不是塑性变形。在拉伸载荷作用下,断裂首先发生在非均质处如孔隙和晶界上。因此,为使微观应力集中降低到最小程度,装甲陶瓷应当是孔隙率低(达理论密度值的99%)和细晶粒结构的高质量陶瓷。
材料性能及其对防弹性能的影响
用于装甲防护的陶瓷材料主要包括氧化铝、碳化硼和碳化硅。
适合于制作装甲的陶瓷性能
从陶瓷材料制备工艺的特点可以看出,目前工艺发展较为成熟的是反应烧结、无压烧结和液相烧结,这3种烧结方式的生产成本较低,制备工艺较简单,实现大批量生产的可能性较高。热压烧结和热等静压烧结相对来说会受到产品尺寸的限制,生产成本较高,成熟性较低,超高压烧结、微波烧结、放电等离子烧结和等离子束熔融法综合来说成熟性最低,是较为新颖的制备手段,但对于技术和设备的要求较高,需要投入的生产费用高,实现批量化的可行性较低,常用于实验探索阶段。
随着装甲系统轻量化、高效化的发展需求,防弹陶瓷的优越性愈加凸显。从单相陶瓷、多相陶瓷到纤维复合陶瓷,材料的断裂韧性在逐步提高,抗多发打击能力不断得到升级。随着材料制备技术的发展,更高性能的新材料不断被开发和研究。纳米材料、层状结构为材料设计者提供了许多新的选择,用于创造更加奇特的复合材料以最大限度地降低冲击破坏的扩展。碳纳米管显示出了极高的强度和刚度,无机富勒烯在能量吸收方面潜力巨大。除了材料的发展,设计新型复合装甲也是研究的另一个热点。
目前,提高防护装甲用防弹陶瓷性能的主要途径有:
陶瓷防弹装甲在国际上因反恐战争而成为快速成长的一个产业。不论是人体防护还是车辆装甲防护,先进陶瓷拥有许多优于常规材料的特点,主要包括质量轻,硬度高,可对微结构进行统一控制,因此可以抵御更严重的威胁。
陶瓷防弹背心
主要的防弹陶瓷材料如碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)等高硬度陶瓷材料中,碳化硅陶瓷因硬度高、防弹效果好且制造成本远低于防弹性能更好的碳化硼陶瓷,近几年成为国际防弹陶瓷的主流产品,包括人体防弹背心、直升机腹部防弹层、坦克装甲车防弹层等。例如美国赛瑞丹公司(Ceradyne)每年给美国军方提供的防弹陶瓷装甲达到10亿美元以上。
国际上知名公司生产的SiC防弹陶瓷材料的性能
参考来源:
谢志鹏等:国际先进结构陶瓷研发及产业化应用发展状况
刘胜等:陶瓷复合装甲的结构设计研究
吴燕平等:防弹装甲中的陶瓷材料
任彦:防弹陶瓷在复合装甲中的应用