陶瓷材料擁有許多極具吸引力的性能，包括高比剛度、高比強度和在許多環(huán)境下的化學(xué)惰性。同時，因其相對于金屬的低密度、高硬度和高抗壓強度，使其在裝甲系統(tǒng)上的應(yīng)用十分具有吸引力，己成為一種廣泛應(yīng)用于防彈衣、車輛和飛機等裝備的防護裝甲［1-2］。在20世紀60年代，B4C最先用于設(shè)計防彈背心，之后裝配到飛機飛行員的座椅上。之后，又將陶瓷面板與復(fù)合材料背板共同構(gòu)成防彈陶瓷復(fù)合裝甲，且于70年代后被美國等西方軍事強國應(yīng)用于運兵車、坦克及軍機等。陶瓷裝甲主要應(yīng)用于裝甲車輛，在實際應(yīng)用中常以復(fù)合裝甲的形式出現(xiàn)，如英國“挑戰(zhàn)者”坦克、EE-T1奧索里約主戰(zhàn)坦克等。陶瓷作為裝甲防護材料的主要優(yōu)勢是強度和硬度高、耐磨、密度小等，而易破碎、抗多發(fā)打擊性能弱的劣勢在一定程度上限制了其應(yīng)用。目前，防彈陶瓷主要朝著提高抗多發(fā)打擊性能、減輕質(zhì)量及降低成本這3個方面進行。國內(nèi)外現(xiàn)階段主要使用的特種防彈陶瓷有B4C、Al2O3、SiC、TiB2、AlN、Si3N4、Si-alon等。

    俄羅斯“臺風(fēng)”戰(zhàn)車的主體部分由鋼板和陶瓷裝甲提供防護，其陶瓷裝甲可以承受30 mm 口徑炮彈襲擊。2016年，中國陸航的武直10在座艙肩膀兩側(cè)加裝了防彈陶瓷裝甲板，可抗12.7 mm大口徑機槍子彈的打擊，提高了飛行員的防護能力。但是隨著彈丸材料和性能的逐步升級，裝甲材料也面臨著大的挑戰(zhàn)。例如目前穿甲彈的彈丸使用高密度合金鋼、碳化鎢或鎢、貧鈾合金鋼等材料，彈丸初速為0.9~1.8 km/s，穿甲厚度達1 m以上，穿甲能力強、飛行速度損失小，極具威脅力。破甲彈雖然彈著速度不高，但其利用炸藥的錐型中空裝藥的聚能原理，爆炸時形成一束高速金屬射流來擊穿裝甲。現(xiàn)代大威力破甲戰(zhàn)斗部的靜破甲威力可擊穿1.2 m厚度以上的裝甲。碎甲彈則是通過塑性炸藥在裝甲板上產(chǎn)生沖擊波，利用超壓崩落坦克裝甲內(nèi)層碎片來達到殺傷破壞目的。而一發(fā)裝4 kg藥的122 mm的碎甲彈，在100 mm厚的裝甲上起爆后，能在裝甲背面崩下厚度為10~30 mm、質(zhì)量為4~6 kg的碟形碎甲和幾十塊小碎片，并對1.3~1.5倍口徑厚的裝甲起破碎作用。

    面對威脅力日益提高的“矛”，必須鑄就堅不可摧的“盾”以提高軍事防護性能和安全等級。為此，作者綜合分析了國內(nèi)外普遍使用的裝甲陶瓷的制備工藝、材料性能、發(fā)展趨勢，以期對防彈陶瓷未來的發(fā)展提出預(yù)期和展望。

    1 陶瓷材料的防彈原理

    裝甲防護的基本原理是消耗射彈能量、使射彈減速并達到無害。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。裝甲陶瓷的吸能過程可分為3個階段［3］。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小且堅硬的碎塊區(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。因為陶瓷本身的脆性，其受到彈丸沖擊時發(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（達理論密度值的99%）和細晶粒結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量陶瓷。陶瓷吸收能量的能力與陶瓷的硬度、彈性模量有關(guān)，可以用M 值（彈道質(zhì)量因素）來衡量陶瓷的抗彈性能：

    M = EH/ρ 。（1）式中：E 是彈性模量；H 是硬度；ρ 是密度。可看出，陶瓷的彈性模量和硬度越大，密度越小，抗彈性能越高，陶瓷對于動能的吸收能力越強。

    表1列出了材料性能及其對防彈性能的影響。陶瓷的硬度越高，彈丸撞擊陶瓷時彈頭越易鈍化和破碎，彈丸侵蝕陶瓷的過程中因磨損犁削作用消耗的能量越多［5］。文獻［3］對防彈陶瓷的力學(xué)性能提出了一個具體的要求范圍：彈性模量E≤280 GPa，硬度H≥2 000kg/mm2，密度ρ≤3 g/cm3。但公式（1）忽視了斷裂韌性對防彈性能的影響。事實上，陶瓷的高斷裂韌性可延遲彈丸撞擊陶瓷的斷裂時間，提高陶瓷的斷裂耗能和抗彈阻力，使陶瓷對彈丸的磨蝕和犁削作用增強，從而消耗更多的彈丸動能，提高陶瓷的抗彈性能。

    2 單相陶瓷的彈道性能及制備技術(shù)

    用于裝甲防護的單相陶瓷主要包括氧化鋁、碳化硼和碳化硅，表2為3種陶瓷的特征性能。

    氧化鋁陶瓷作為離子鍵化合物，化學(xué)鍵力強，熔點高（2050 ℃），具有良好的抗氧化性和化學(xué)惰性［7］，燒結(jié)制品表面光潔、尺寸穩(wěn)定、價格低廉，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，使其抗彈性能較低。

    碳化硼是強共價鍵化合物，共價鍵高達93.9%，具有高的熔點，超常的硬度（35~45 GPa），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艽蟮母邷啬湍ゲ牧现弧4C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［8］。B4C存在的主要問題是價格昂貴（是氧化鋁的10倍左右）、脆性較大，限制了其作為單相防護裝甲的廣泛應(yīng)用［9］。

    碳化硅共價鍵極強，在高溫下仍具有高強度的鍵合，這種結(jié)構(gòu)特點賦予了碳化硅陶瓷優(yōu)異的強度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、高熱導(dǎo)率、良好的抗熱震性等性能；同時碳化硅陶瓷價格適中，性價比高，是最有發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅苎b甲防護材料之一［10］。SiC陶瓷在裝甲防護領(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。作為防護裝甲材料時，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，并確保彈丸侵徹時只粉碎單塊而不破壞裝甲整體。

    表3 對3種單相防彈陶瓷的制備工藝進行了比較。一般來說，熱壓B4C和固相燒結(jié)SiC中可能出現(xiàn)石墨和碳夾雜物；反應(yīng)結(jié)合的材料一般不具有氣孔，但會存在殘余硅作為次要相。次要相的存在會導(dǎo)致陶瓷彈性模量的降低，降低程度取決于次要相的類型，其中氣孔會最大程度地降低彈性模量。晶粒尺寸對于陶瓷的硬度和強度有一定的影響。強度與晶粒尺寸的關(guān)系遵循Hall-Petch定律，即晶粒尺寸的增加會降低材料的強度［18］。因此，加壓燒結(jié)在獲得細晶陶瓷方面具有顯著優(yōu)勢。細晶陶瓷提高斷裂韌性的機理是裂紋沿晶界的路線更曲折，需要消耗更多的能量以形成更大的斷裂面。文獻［4］中的顯微照片顯示熱壓燒結(jié)B4C和固相燒結(jié)SiC出現(xiàn)了穿晶斷裂，而和液相燒結(jié)SiC出現(xiàn)了晶間斷裂，證實了熱壓SiC和液相燒結(jié)SiC的斷裂韌性比和固相燒結(jié)SiC的斷裂韌性更高，由此說明了兩種斷裂模式中，晶間斷裂的斷裂韌性比穿晶斷裂的高。

    從陶瓷材料制備工藝的特點可以看出，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)費用高，實現(xiàn)批量化的可行性較低，常用于實驗探索階段，對實際應(yīng)用意義不大，較難實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

    3 多相陶瓷的制備及性能特點

    盡管單相陶瓷具備一定的防彈能力，但共性的問題是斷裂韌性低、脆性大，因此，防彈陶瓷的強韌化一直是研究的熱點方向。強韌方法主要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)計等。Medvedovs-ki［19］對SiC-Al2O3、SiC-Si3N4-Al2O3、SiC-Si-Al2O3和SiCSi3N4-Si-Al2O3這些碳化硅基的復(fù)合材料進行了研究，通過無壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)實現(xiàn)制備，并進一步證實其物理性能如硬度、聲速等，以及吸收能量的能力比單一的材料體系都有一定程度的提高，反應(yīng)燒結(jié)SiC基復(fù)合陶瓷的防護系數(shù)可達到3 級或4 級，制得的SiCSi3N4-Al2O3和反應(yīng)燒結(jié)SiC也具有很好的抗多發(fā)打擊性。Huang等［20］在1 500 ℃下通過無壓燒結(jié)制得4層和11 層的Al2O3-ZrO2 功能梯度材料，證實了90%Al2O3-10%ZrO2 的硬度可以達到15.12 GPa，50%Al2O3-50%ZrO2的斷裂韌性可以達到4.7 MPa·m1/2，擁有相同面密度（4.64 g/cm3）或厚度（11 mm）的梯度材料的能量吸收達到最大，防彈性能最優(yōu)異。Gupta等［21］運用放電等離子燒結(jié)法制得TiB2-Ti功能梯度材料，通過小口徑射彈沖擊的彈道深度測試，得到TiB2-Ti和TiB2基復(fù)合材料的彈道效率η 均在5.1~5.9，與其他防護陶瓷材料相比，除了比B4C稍差一點，TiB2基復(fù)合材料的彈道深度更小、彈道效率更高、防彈性能更佳。Pettersson等［22］運用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備得到Ti-TiB2功能梯度材料，并進行力學(xué)性能和7.62 mm口徑射彈的防彈測試，證實了SPS-（Ti） 0.05（TiB2）0.95的硬度為26 GPa，斷裂韌性為4.5 MPa·m1/2，彎曲強度為640 MPa，各性能均優(yōu)于HIP-TiB2，防彈性能優(yōu)異。Sano等［23］采用粗晶和細晶兩類AlN粉體與TiB2粉體經(jīng)過熱壓燒結(jié)制備得到不同配比的TiB2-AlN 復(fù)合材料，其中50%TiB2/50%AlN（粗晶AlN粉體）的斷裂韌性達到了7.0 MPa·m1/2，比預(yù)期高出了3.12 MPa·m1/2，整體復(fù)合材料的抗彎強度和抗彈深度等的測試結(jié)果都明顯優(yōu)于單相的TiB2或AlN材料。McCauley等［24］通過放電等離子燒結(jié)成功制得了密度接近98%的TiB2/TiB/Ti功能梯度材料，制得的梯度材料層數(shù)不同、配比不同。觀察結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，材料發(fā)生了分層現(xiàn)象。在防彈測試中，4層和6層梯度材料的TiB2頂層顯示出與單相TiB2一樣優(yōu)異的防彈性能。

    為進一步提高陶瓷的斷裂韌性，Orlovskaya 等［25］設(shè)計了層狀結(jié)構(gòu)的B4C-SiC復(fù)相陶瓷材料，將不同成分的陶瓷軋制成薄片，薄片疊層后熱壓燒結(jié)，綜合考慮陶瓷的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比、密度、裝甲總體厚度，確定組分層的成分與厚度，得到了具有高壓縮殘余應(yīng)力（高達650 MPa）和低拉伸殘余應(yīng)力（低于150MPa）的3層或9層陶瓷材料。這種B4C-SiC層狀材料存在大量界面，為多重開裂創(chuàng)造了機會。許多微小脆性斷裂的累積效應(yīng)能夠使層狀材料擁有超越整體韌性材料的能量吸收能力。文獻［26］中指出，3層的B4C-30%（質(zhì)量分數(shù)）SiC/B4C層狀材料的斷裂韌性可以達到（7.42±0.82）MPa·m1/2，在抗彈深度的測試中，含有約4%氣孔率的B4C-30%SiC/B4C層狀材料和高純的致密B4C單相陶瓷的射彈深度幾乎沒有差異。

    4 纖維增韌陶瓷復(fù)合材料

    戰(zhàn)爭中人員和裝備的快速安全移動對輕質(zhì)結(jié)構(gòu)防護材料提出了持續(xù)需求，纖維復(fù)合陶瓷材料則是提供能量吸收和質(zhì)量減輕的最佳組合方式。用于增韌陶瓷的纖維主要包括玻璃纖維和碳纖維。如輕型車輛吉普的面板通常都是基于S-2玻璃纖維（65%的SiO2，25%的Al2O3和10%的MgO），這會比傳統(tǒng)的低堿鋁硼硅酸鹽E玻璃纖維（名義組成是54%的SiO2，14%的Al2O3，22%的CaO+MgO和10%的B2O3）有更高的斷裂應(yīng)變和彈性模量［27］。盡管玻璃纖維復(fù)合材料能有效應(yīng)對輕武器，但對于大口徑彈藥和穿甲彈形成的嚴重威脅，玻璃纖維增韌則顯得力不從心。

    碳纖維由原料纖維高溫?zé)桑?jīng)歷了低溫氧化、中溫碳化、高溫石墨化等工藝，具有強度高、模量高、密度低、耐高溫、線膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點，可作為很好的補強增韌陶瓷材料［28］。增韌機理主要包括裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維橋聯(lián)和纖維拔出3種機制。該復(fù)合材料能夠最大限度地抑制陶瓷缺陷的體積效應(yīng)，有效偏折裂紋和最終纖維拔出來消耗斷裂能，從而發(fā)揮纖維的增韌和補強作用，改善復(fù)合材料的防彈性能。

    5 透明陶瓷

    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發(fā)和研究。現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對裝甲系統(tǒng)的要求越來越高，不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的防護，還要求不能妨礙士兵們的行動能力，而化“被動”為“主動”，發(fā)展能預(yù)先識別目標，并利用誘餌觸發(fā)和物理摧毀方式破壞來襲武器的“主動裝甲”［29］，成為作戰(zhàn)中的一大優(yōu)勢。以氮氧化鋁（AlON）和鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）為代表的透明陶瓷已應(yīng)用于裝甲防護領(lǐng)域，既能保護人體又能隨時觀察敵情［30］。透明陶瓷因高的強度和硬度，已成為可替代防彈玻璃的具有發(fā)展?jié)摿Φ姆雷o材料，如面罩、導(dǎo)彈探測窗口、地面作戰(zhàn)車輛保護窗、飛機的擋風(fēng)玻璃和降落窗等，主要有單晶氧化鋁（藍寶石）、氮氧化鋁和鎂鋁尖晶石［31-32］。

    透明陶瓷的制備方法包括熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、真空燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)和微波燒結(jié)等，對光的透過性使透明陶瓷的制備工藝要求很高。除此之外，透明陶瓷要求原料純度高、燒結(jié)致密度高，晶粒和晶界中的殘余氣孔、第二相和雜質(zhì)等的含量越少越好，以最大程度地減小材料內(nèi)部的散射、折射中心。因而，透明陶瓷對原料純度、工藝先進性都是一次挑戰(zhàn)和升級。

    StraBburger［33］通過鋼板框架將陶瓷/玻璃/聚碳酸酯固定在一起，用7.62 mm×51 mm AP鋼芯射彈進行防彈性能測試。結(jié)果表明，前置層為燒結(jié)氧化鋁時顯示出最好的防護強度，其次是氮氧化鋁、尖晶石和藍寶石（單晶氧化鋁）。同時，實驗過程中運用了閃光X射線成像方法，使子彈的侵蝕過程實現(xiàn)可視化，為透明陶瓷裝甲的系統(tǒng)優(yōu)化提供了有利條件。Klement等［34］制備得到三明治結(jié)構(gòu)的多層透明裝甲，并進行兩種子彈的防彈性能測試。具有藍寶石前置層浮法玻璃的子彈侵蝕深度比具有玻璃前置層浮法玻璃的小，防彈性能得到了顯著提高。6層8 mm厚的浮法玻璃和1層7 mm厚的藍寶石前置層能夠阻擋7.62 mm×51 mm AP8碳化鎢芯射彈的沖擊，3層8 mm厚的浮法玻璃和1層7 mm厚的前置藍寶石層能夠阻擋7.62 mm×54R B32 API硬質(zhì)鋼芯射彈的沖擊。王雄高［35］討論了利用聚合體和陶瓷等材料來減輕透明裝甲系統(tǒng)的質(zhì)量，并指出與傳統(tǒng)的玻璃/塑料透明裝甲系統(tǒng)相比，透明陶瓷已被證實在質(zhì)量更輕的條件下能提供更強的防護能力。

    6 結(jié)語

    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。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發(fā)和研究。納米材料、層狀結(jié)構(gòu)為材料設(shè)計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展。碳納米管顯示出了極高的強度和剛度，無機富勒烯在能量吸收方面潛力巨大。

    除了材料的發(fā)展，設(shè)計新型復(fù)合裝甲也是研究的另一個熱點。美國研究人員Gama等［36］設(shè)計了三明治結(jié)構(gòu)的防彈裝甲，即在氧化鋁陶瓷和S-2玻璃纖維復(fù)合材料之間插入泡沫閉孔鋁金屬層，以減少應(yīng)力波的傳輸；在纖維復(fù)合材料變形之前，通過擊碎泡沫可使射彈減速，減小變形裝甲侵入背面空間的程度。文獻［27］提出了一些新的理論，包括制備出釘子形陶瓷，像短螺栓插入六角形螺母中一樣插入背板結(jié)構(gòu)的孔中，提高抗多發(fā)打擊性能。

    總體而言，防彈陶瓷需要考慮防彈性能、質(zhì)量（面密度）、成本這3種因素，在不同的條件下，應(yīng)根據(jù)不同的防護要求，在防彈性能、質(zhì)量以及成本之間達到一種平衡，即在滿足防彈性能的前提下，使質(zhì)量與成本更低，才能更好地滿足需要［37］。

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責(zé)任編輯：王元

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