坦克裝甲車輛作為陸軍的主要裝備，一直是武器裝備發展的重點。隨著科學技術和武器裝備的發展，戰爭對坦克裝甲車輛的機動、防護和火力等性能提出了越來越苛刻的要求，傳統金屬材料已難以滿足其各方面性能的要求。精細陶瓷作為21 世紀的三大工程材料之一，自20 世紀60 年代出現以來就以其優異的性能受到軍方的高度關注，并不斷應用于坦克裝甲車輛等裝備，取得了顯著的軍事和經濟效益。

    1 精細陶瓷的基本性能

    精細陶瓷是利用高純度的天然無機物及人工合成的無機化合物，采用多種先進制造工藝生產出的一種新型高技術陶瓷，是繼鋼鐵、塑料之后的世界上第3 種工程材料，具有許多金屬材料及高分子材料無法比擬的優良特性。

    一是高溫強度突出。常見的氮化硅陶瓷在1 400 ℃、碳化硅陶瓷在1 700 ℃ 時，強度仍高達700 MPa，而此時大多數金屬材料早已軟化或熔化成液體。在室溫下，氮化硅和碳化硅的抗拉強度僅為鋼的1 /3 ～ 1 /2; 但當溫度在1 000 ℃以上時，氮化硅和碳化硅便具有比金屬材料更高的強度。新研發的氮碳化硅復合陶瓷（ 由氮化硅和碳化硅陶瓷復合而成） 在1 600 ℃時，不但可以拉長，還可以擠壓，并具有韌性。此外，精細陶瓷還具有導熱率低的特點。與鋼鐵相比，氮化硅是其導熱率的1 /4～1 /3，氧化鋯是其導熱率的1 /15 左右。因此，精細陶瓷的高強度、低導熱特點常被用來制造隔熱零部件。

    二是耐磨性能優越。相關試驗表明： 在有潤滑條件下，由金屬與陶瓷組成的摩擦副不但陶瓷接近零磨損，金屬的磨損量也比與金屬相互配對時要小得多。特別是氮化硅與鋼配對的摩擦副，即使是在惡劣的潤滑條件下也具有極大的抗咬合耐磨損能力。

    三是密度低、質量小。多數陶瓷的密度是金屬密度的50%，如氮化硅和碳化硅的密度比鑄鐵小55%，與鋁相比也僅大10%。因此用陶瓷制成的零部件不但自身質量小，對于一些運動件還可以減少驅動該部件所需的能量，有利于加快響應速度，并減小振動。低密度和高強度的綜合特性，使得陶瓷成為制造高速運動零件的最佳材料之一。

    四是耐腐蝕性能極佳。陶瓷惰性大，除氫氟酸及高濃度的堿以外，幾乎對所有的化學品都具有優異的耐腐蝕性能。既可以用于制作整體零部件，也可以以涂層或襯里的表面處理形式使其他材料免于被侵蝕。

    2 精細陶瓷在坦克裝甲車輛上的應用

    2. 1 在動力裝置上的應用

    發動機是坦克裝甲車輛的心臟和原始動力的源泉，其性能直接決定了坦克裝甲車輛的機動性能。在一定儲油量條件下，發動機熱效率越高，行駛里程越長，坦克裝甲車輛的戰役機動性就越好。提高坦克裝甲車輛的機動性能關鍵因素之一在于提高發動機性能，并降低全車質量。理論研究表明： 在相同條件下，提高發動機的工作溫度，其功率可相應增大，燃燒效率大大提高。而目前世界各國主戰坦克的發動機主要以金屬材料為主，鋁合金的耐溫極限為350 ℃，鋼和鑄鐵為450 ℃，最好的超級耐熱合金的耐溫極限也不能超過1 093 ℃，金屬材料的耐溫極限極大地限制了發動機工作溫度的提升。使用各種冷卻裝置不但使發動機設計復雜化，還增加質量，耗費大量功率。因此，專家預測，未來發動機推動比的提高，1/3 ～ 1 /2 的可能性取決于發動機材料性能的提高。尋找一種理想的材料來代替現行的金屬材料是解決目前發動機結構復雜、熱效率低的有效途徑。

    精細陶瓷由于其具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、密度小、導熱率低等優異性能而受到廣大發動機設計、研究人員的青睞。許多專家認為精細陶瓷在發動機上的應用是內燃機發明以來最鼓舞人心的新發展，它將最終解決發動機要在苛刻環境下工作的問題。20 世紀70 年代美國康明斯公司Kamo R 提出了陶瓷隔熱渦輪復合發動機（ 陶瓷絕熱發動機） 的設想，即以精細陶瓷替代現行的金屬材料制造發動機，采用減少或取消冷卻系統、但保持較高工作溫度的設計方案來提高發動機的熱效率，并減小發動機質量。該設想得到了美國陸軍坦克汽車指揮部和能源部的支持，并于1975 年開始實施一項絕熱機的長期研究計劃，目標是把絕熱機技術應用于軍用載重車及坦克裝甲車輛，以滿足坦克動力裝置對單位體積功率大，高可靠性、可使用性、可維護性，以及耗油率低等多方面的要求。在該計劃的支持下，美國研制的無冷卻式陶瓷發動機坦克，比安裝相同功率鋼質發動機的坦克速度每千米縮短33 秒，體積和質量減少21%。日本小松制作所在運輸省的資助下，于1976 年開展了缸徑為125 mm 的全陶瓷噴涂渦輪復合絕熱機的研制，并在1984 年完成1 000 h臺架耐久試驗后轉入使用試驗。德國聯邦科學技術部于1980 － 1983 年開展了一項名為KEBOD的汽油機，柴油機陶瓷零件研究計劃。

    我國在“七五”、“八五”和“九五”期間也開展了陶瓷柴油發動機的研制工作，先后研制成功6105型無水冷柴油機、6135 型渦輪復合絕熱發動機等幾種先進陶瓷發動機。研制的6105 型無水冷發動機在進行400 h 臺架試驗考核后，被裝入一輛有45 個座位的大型客車，往返于上海和北京之間完成了4 000 km的裝車道路試驗，油耗比增壓水冷機最大下降5. 5%。此后，該客車作為班車經常使用，至今已累計運行5 萬km 以上。“八五”期間，我國自行設計和制造的新型無水冷發動機，在氣候情況和地理環境十分惡劣的沙漠中，安全行駛了將近2 000 km。這些先進陶瓷發動機的研制成功，縮短了我國與國際先進水平之間的差距，使我國成為了世界上少數幾個能進行陶瓷發動機試驗的國家之一。

    但是，整體陶瓷發動機開發技術難度非常大，特別是陶瓷材料的高成本和低可靠性這2 大問題仍未圓滿解決，在現階段實現商業化和實用化還很不現實。因此，許多國家采用了先小后大、先近后遠、先部件后整機、先常規后先進的方針，研究重點轉向陶瓷零部件，并從20 世紀80 年代后期起成為陶瓷材料在發動機上應用的主流方向。到目前為止，這方面的成果已超出了實驗室的研究階段，許多陶瓷零部件已大批生產，并在坦克裝甲車輛的發動機上得到廣泛應用。如美國M1A1 坦克的AGT-1500燃氣輪機采用了陶瓷渦輪葉片，使發動機工作溫度提高到1 200 ℃，熱效率提高45%，節省燃料30%，并提高了坦克的機動性能。M2 步兵車和M109 自行火炮等使用的AA750 型渦輪復合柴油機采用了整體陶瓷的陶瓷隔熱層，汽缸蓋底面和活塞頂采用了部分穩定氧氣鋯隔熱，增壓器內采用了氮化硅轉子和軸承。同水冷柴油機相比，大大減少了零件數量、體積、質量、冷卻水，并降低了耗油率。

    進入21 世紀以來，美國為研制新型主戰坦克，制造了以XAV-28 型低散熱柴油機為動力的XAP-1000 整體式推進系統。該機在關鍵件上用陶瓷替換了傳統的金屬材料，并且采用陶瓷涂層與空氣隙隔熱，在高耐熱合金活塞頂和合金鑄鐵缸蓋上涂覆陶瓷涂層。新型坦克與傳統的M1 主戰坦克的燃氣輪機相比，它的耗油率、體積和維修費這3 項指標都減少50%，超過了該國先進的整體式推進系統規定的要求。

    俄羅斯的PT-5 等坦克在燃氣發動機的轉子葉片、透平盤和燃燒室等部件上使用了反應燒結SiC和Si3N4陶瓷，使得最高工作溫度達1 400 ℃，功率在880 ～ 1 100 kW 之間，最大時速達85 km。

    德國在“豹”Ⅱ等坦克中使用的MT800 系列柴油機在排氣口鑲嵌了陶瓷構件，燃燒室采用了陶瓷涂層隔熱技術，大大提高了燃燒效率、降低了油耗。

    日本將非氧化物陶瓷制造的燃氣輪機用在坦克上，將坦克發動機的工作溫度從900 ℃ 提高到了1 200 ℃，并節省燃料20% ～ 25%，提高功率30%，質量減小30%。這種陶瓷發動機不但可以使用汽油和柴油，而且還可以使用甲醇和煤油。

    筆者等一直致力于工程陶瓷在坦克裝甲車輛中的推廣應用工作，先后研制成功陶瓷柱塞偶件、陶瓷出油閥偶件、陶瓷氣門、陶瓷氣門座圈等。相關產品和技術的開發豐富了工程陶瓷的應用范圍，有力促進了工程陶瓷在坦克裝甲車輛等武器裝備中的應用。

    2. 2 在防護裝置上的應用

    精細陶瓷的高強度、高硬度、低密度特性使得精細陶瓷成為制造裝甲防護系統的理想材料，如陶瓷裝甲的維氏硬度值高達1 500 ～ 3 500 HV，常用的碳化硼陶瓷其密度大約是裝甲鋼的1 /3 左右，同樣的防護面積，質量卻可大大減小。此外，精細陶瓷還具有比金屬材料高得多的動力學彈性極限。利用陶瓷材料的密度效應、吸能效應、磨損效應等特性可顯著地提高坦克裝甲車輛的防護能力。

    根據防護要求的不同，目前應用于裝甲防護裝置上的陶瓷材料主要有Al2O3、B4C、SiC、TiB2和AlN等5 種，其中應用于坦克裝甲防護的主要為氧化鋁和硼化物基陶瓷。相對金屬材料而言，氧化鋁陶瓷硬度是標準均質鋼的3 倍以上，而體積質量不到標準均質鋼的1 /2，且具有工藝性能穩定、價格相對較低、能夠批量生產等優點，因而在坦克裝甲車輛得到普遍采用。在上述5 種陶瓷材料中，硼化物基材料的抗彈侵徹性能最好，代表了坦克陶瓷裝甲的發展方向，但由于其獨特的金屬、共價和離子型鍵相互作用，使得其存在熔點高、燒結困難、制備方法復雜、工藝穩定性難以控制、制造成本高昂等缺點，目前僅在歐美等發達國家得到應用。

    陶瓷作為一種脆性材料，其斷裂韌度值非常低，不能承受任何疲勞或結構負荷，也不能經受多重打擊。因此，要達到滿意的防護效果，通常采用與其他裝甲材料組合使用的方式。自20 世紀60 年代美國首次在越南戰場上使用Al2O3 /Al 陶瓷復合裝甲以來，世界各國對陶瓷/金屬輕質復合裝甲進行了深入研究，陶瓷復合裝甲得到快速發展。最初的陶瓷復合裝甲主要為雙層裝甲系統，該系統利用堅硬的陶瓷面板來擊碎或鈍化彈丸，利用韌性背板發生變形以吸收彈丸和面板碎片的殘余動能，從而有效抵抗彈丸侵徹。但是陶瓷與金屬之間的彈性模量、硬度、密度等存在階躍性變化，易于導致層間聲阻失配和應力集中，極大限制了復合靶板的抗多次打擊能力。

    為解決這一難題，陶瓷復合裝甲系統由最初的雙層裝甲系統發展到后來的多層裝甲系統。到了20 世紀80 年代，西方國家和前蘇聯的主戰坦克均已廣泛采用了多層裝甲系統，俄羅斯的新式坦克采用了6 層裝甲系統。表1 列出了國外常見主要坦克使用的陶瓷復合裝甲基本情況。

    20 世紀90 年代以來，美國科學家提出了新型梯度裝甲的概念，并逐漸成為當前裝甲材料發展趨勢之一。該梯度裝甲材料采用高硬度、高強度的陶瓷材料作面板，采用塑性好、抗拉強度高的金屬材料作背板，中間采用陶瓷含量沿厚度連續變化（ 或階梯變化） 的過渡層。該裝甲材料既具有陶瓷材料抗侵徹的優越性能，又擁有金屬材料的良好韌性，可以顯著提高復合靶板的抗多次打擊能力，并且可以通過對梯度形式和界面的設計來減小沖擊波對復合靶的損傷，有效提高材料的抗彈性能； 同時由于所用組分為低密度陶瓷和輕質合金，因此也為裝甲材料輕型化奠定了基礎。

    透明裝甲陶瓷是新興的一種陶瓷裝甲材料，目前主要以鋁酸鎂尖晶石、硝酸氧化鋁尖晶石和藍寶石等材料為主。該系統由多層組成，第一層通常為硬度較高的陶瓷面板，用于破碎彈頭或使其變形； 最后一層為韌性較高的聚合物，用于吸收彈丸和面板碎片的殘余動能； 中間夾有柔性隔離層，以逐層添加的方式提供附加的防護能力，緩解由熱膨脹錯配造成的應力，并防止裂紋擴展。透明裝甲陶瓷不但具有明顯的防彈能力和較高的透明度，其表面密度還僅為現有玻璃的65% 左右。在美國“未來戰斗系統”中，采用S2 玻璃纖維層壓材料和陶瓷裝甲制造的布雷德利戰車車體，質量比原來減輕達35% ～40%，并能降低熱信號特征、抑制噪聲、節省費用和縮短生產周期。

    丁華東等以B4C 基陶瓷為骨架，以Al 合金為金屬填充物，提出了3DMC（ Tri-dimension MicrostructureComposite，三維微觀結構復合） 的新概念，通過粉末冶金的方式將Al 合金熔滲入B4C 基陶瓷骨架，制備了B4C 基3DMC 新型裝甲材料，其結構模型如圖1 所示。該材料具有硬度高，韌性滿足需求的特點，成為集結構與功能于一體具有廣闊應用前景的新型陶瓷基裝甲材料。

    2. 3 在火力裝置及其他方面的應用

    隨著火炮口徑的不斷增大，炮彈初速越來越快，坦克火炮身管承受的壓力和溫度也越來越高。在高溫高壓以及火藥氣體的綜合作用下，特別是連續射擊時，炮管的燒蝕極為嚴重，嚴重影響了坦克裝甲車輛戰技性能的發揮。利用陶瓷的抗高壓、抗蠕變、高熔點及高溫化學穩定性好等特性，可有效抑制炮管的嚴重燒蝕，延長其使用壽命。美國陸軍研究實驗室對坦克炮用陶瓷內襯炮管的可行性進行了評估，并采用概率統計方法對120 mm 炮管進行了最佳化設計。研究認為： SiC、Si3N4和SiAlON 等是最適合用作炮管內襯的陶瓷材料，包纏纖維增強復合材料外保護套是解決陶瓷材料拉伸強度低、脆性大等缺點的最佳設計。采用陶瓷內襯復合材料炮管技術可使炮管壽命提高50%，炮管單位長度的質量減小5% ～ 25%，直接火力的炮口動能增加20%。陶瓷材料的高抗壓和抗蠕變特性也使其成為口徑20 ～ 30mm機槍槍管內襯的理想材料，通過合理設計，使陶瓷材料保持三向壓縮狀態，不但可克服其脆性，保證陶瓷襯管的安全使用，還可以有效抑制槍管的嚴重燒蝕。用微球型納米陶瓷粉末制備的潤滑劑，可使普通的滑動摩擦轉變成了滾動摩擦，在火炮身管和槍管噴涂這種潤滑劑后可提高彈丸初速15%以上，同時可有效減少磨損量，提高武器使用壽命。

    利用精細陶瓷的化學穩定性好、耐腐蝕等性能，還能有效地解決兩棲裝甲裝備的腐蝕與防護難題。在高溫、高濕、高鹽霧和高日照的服役環境條件下，兩棲裝甲裝備腐蝕較為嚴重。據統計，兩棲裝甲裝備下海訓練后，如果不及時清洗， 20 ～ 30 min 后車體就會出現許多紅色的浮銹， 12 h 后浮銹部位就會形成直徑約1 mm 左右的銹斑。整個車輛會因海水的腐蝕而直接導致裝備維修保養工作量增大、保障費用上升、裝備故障率增高、戰技性能急劇下降。相對金屬材料而言，精細陶瓷的化學穩定性極好，在強酸、強堿環境中也能保持較好的物理化學性能。實踐表明： 通過在裝甲鋼上噴涂陶瓷層的方式可有效阻止海水對裝甲鋼的腐蝕； 采用陶瓷泥技術可有效解決坦克輪轂處螺紋孔與螺栓的銹蝕難題； 氧化鋁制的陶瓷炮塔座圈彈子可有效解決坦克炮塔與座圈的咬死與粘連問題。

    在坦克夜視裝置中，紅外熱像儀制冷壓縮機中的壓縮活塞和汽缸是紅外成像系統中的一個關鍵組件，在實際使用過程常因各種力、力矩的作用使得工作表面形成劃痕，磨損極為嚴重，致使壓縮機在運行過程中振動加劇，噪聲增大，影響制冷效果。美國Stirling 公司利用精細陶瓷耐摩擦、耐磨損的特點，開發的氮化硅陶瓷壓縮活塞和汽缸壽命長達2 000 h，大幅度提高了微型斯特林制冷機的制冷效果。據報道，日本也開展了這方面的研究工作。

    3 精細陶瓷材料的應用障礙及發展前景

    實踐證明： 精細陶瓷的優越性能對武器裝備性能的提升具有重要意義，加快精細陶瓷在武器裝備中的應用步伐、擴大其使用范圍已成武器裝備發展必然趨勢。但昂貴的加工成本和較低的可靠性成為了束縛精細陶瓷在武器裝備中應用的“瓶頸”。因此，要實現陶瓷在武器裝備中的實用化和普及化，關鍵在于提高陶瓷的使用的可靠性，降低其加工成本。

    為實現工程陶瓷的實用化和普及化，世界各國紛紛投入大量的人力、物力、財力進行研究，其中最具代表性的為美國。美國自1993 年起實施了一項為期5 年的熱機用低成本陶瓷計劃，研究開發先進的陶瓷制備工藝和質量控制技術，以期在提高質量和性能的同時，將陶瓷部件的成本降低一個數量級以上。從2000 年開始，美國又實施了一項為期20 年的美國先進陶瓷發展計劃，該計劃旨在將基礎研究、應用開發和產品使用幾個環節有機地結合在一起，力爭到2020 年時使精細陶瓷能成為一種經濟適用、性能可靠的首選材料，并廣泛應用于工業制造業、航空、航天、軍事以及消費品制造等領域。

    經過半個世紀的發展，陶瓷的性能得到顯著提升，加工成本明顯下降。為解決精細陶瓷的脆性問題，人們相繼提出了纖維增韌、晶須增韌、相變增韌、協同增韌及粒子強化等多種增韌強化措施，取得了很多有益的研究成果。特別是納米技術的廣泛應用，使得陶瓷材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高，為精細陶瓷的應用開拓了新領域。此外，人們還受貝殼、竹、骨骼等天然生物材料的啟發，提出了仿生結構設計概念，為陶瓷材料的強韌化提供了一條嶄新的研究和設計思路。

    陶瓷作為一種硬脆材料，其加工方式主要以金剛石砂輪磨削為主，加工成本占到陶瓷部件總成本的60% ～ 80%，部分甚至高達90%。因此，要降低陶瓷部件的成本關鍵在于降低其加工成本。為降低精細陶瓷的加工成本，在發展傳統機械加工的基礎上，ELID 磨削加工、化學機械加工、電火花加工、超聲加工、激光/等離子加工、高壓磨料水射流加工以及各種復合加工工藝等先進加工方法和加工工藝如雨后春筍，大大提高了陶瓷的加工效率并降低了加工成本。

    可以相信，隨著陶瓷性能的不斷完善和使用成本的不斷降低，精細陶瓷在坦克裝甲車輛等武器裝備上將發揮越來越大的作用。

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責任編輯：王元

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