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碳化硅与碳化硼陶瓷在防弹装甲领域应用

发布日期:2020-03-16  作者:admin 点击:

陶瓷材料作为非金属材料的关键一员,拥有大量极具吸引力的性能,如良好的机械性能和电化学性能,热导率低、结构致密均匀、耐磨和耐腐蚀等等。正如小米6陶瓷尊享版手机的宣传语“极致性价比与艺术品般的科技结晶相融合”那样,陶瓷机身的硬度更高,手感更好,使得陶瓷材料在手机行业的应用得到大家的肯定与赞赏。同样地,陶瓷在其他领域的应用也逐步得到大家的认可。 

防弹装甲领域的明星材料

陶瓷材料的高比刚度、高比强度和在复杂环境下的化学惰性,同时相对于金属材料所具有的低密度、高硬度和高抗压强度,使其在装甲系统上的应用十分具有前景,并已经广泛应用于防弹衣、车辆和飞机等装备的防护装甲中。2016年,中国人民解放军全面列装的昌河武直-10采用了碳化硼陶瓷装甲板,使得直升机脆弱的座舱肩膀两侧能够抗击12.7mm大口径机枪子弹。目前,常用的装甲陶瓷材料主要为碳化硼(B4C)、碳化硅和氧化铝。

图1 武直-10装备碳化硼材料陶瓷防弹板 
陶瓷材料的防弹原理 金属材料可以通过塑性变形吸收弹头的能量,而陶瓷作为脆性材料,其破坏时塑性变形量近乎为0(读者若想进一步了解塑性材料和脆性材料的分类及其性能介绍,可以查看旧文:“火车压桥抗洪”中材料力学)。因此,在弹头较大冲击力作用下,陶瓷材料主要通过微破碎过程吸收能量,其主要过程大致分为初始撞击阶段、侵蚀阶段和变形断裂阶段三个阶段。装甲陶瓷表层能使得弹头钝化,表面粉碎为细小而坚硬的颗粒,当变钝的弹丸继续深入,使得装甲陶瓷形成碎片层,材料内部的拉应力使得陶瓷碎裂,剩余的能量由背板吸收。陶瓷吸收能量的能力与陶瓷的硬度、弹性模量有关,一般用弹道质量因素来综合衡量陶瓷的抗弹性能: (式中:E为弹性模量,H为硬度,ρ为密度。)   由此可见,陶瓷的弹性模量、硬度越大,密度越小,陶瓷对于动能吸收能力越强,即防弹性能越好。此外,以上公式忽略了陶瓷的高断裂韧性可延迟弹丸撞击陶瓷的断裂时间,从而提高陶瓷的断裂耗能和抗弹阻力。表1列出了陶瓷材料的性质对防弹性能的影响。 

防弹装甲材料的双子星

简言之,陶瓷材料高硬度的特点使得其能够钝化甚至破碎弹头,并通过自身破碎的过程吸收高速弹头的能量;同时,陶瓷材料具有不到钢材一半的密度,非常适合移动装甲和单兵防护。

图2 应用于坦克的陶瓷材料

碳化硅与碳化硼陶瓷在防弹装甲领域的应用来源已久。20世纪60年代,碳化硼陶瓷最先用于设计防弹背心,并装配到飞机飞行员的座椅上。之后,由陶瓷面板和复合材料背板共同构成的防弹陶瓷复合装甲,且在70年代后被美国等西方军事强国应用于运兵车、坦克及军机中。   碳化硼是强共价键化合物,共价键高达93.9%,因而具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的特点,制品尤其适用于轻质装甲的应用。同时,和金刚石和立方氮化硼相比,碳化硼制造容易、成本低廉。与碳化硼一样,碳化硅共价键极强,高温下具有高强度的键合,这种结构特点赋予了碳化硅陶瓷优异的强度硬度及耐磨等特性。   作为防弹材料,就是将上述材料制备成粉末并进行烧结成块,从而变成具有防弹能力的陶瓷块,再与其它配料进一步整合成为可装备的成品。 

图3  碳化硼防弹片

我们发现,碳化硅与碳化硼陶瓷均具有密度低的特点,常见氧化铝陶瓷的密度约为3.5g/cm-3,而碳化硅和碳化硼的密度分别仅有3.2g/cm-3和2.5g/cm-3。可见,在移动装甲轻量化的趋势下,碳化硅和碳化硼材料具有先天优势。

弹性模量方面,氧化铝陶瓷的弹性模量在350GPa左右,而碳化硅和碳化硼材料的弹性模量在400GPa左右,由上海硅酸盐研究所利用反应烧结的碳化硅陶瓷弹性模量达到360-380GPa之间,而英美国家利用同样反应烧结的碳化硅弹性模量能达到430GPa以上。可见,三种主要的装甲陶瓷材料均具有高弹性模量的特点。

硬度方面,碳化硼>碳化硅>氧化铝。值得一提的是,碳化钨材料作为生产硬质合金的关键材料,与碳化硅相比,碳化硅的硬度为碳化钨的2倍,密度为碳化钨的1/5,而且强度在1400℃保持不下降。

耐磨性方面,碳化硼>碳化硅>氧化铝。由中南大学粉末冶金研究所测定数据显示,氧化铝陶瓷耐磨性相当于锰钢的266倍,高铬铸铁的171.5倍。由此可见,陶瓷材料高硬度高耐磨的性能远远高于耐磨钢和不锈钢。

其它性能方面,碳化硼高温热稳定性独树一帜,与氧化铝相比,其热膨胀系数小1/2,在500℃时,热传导高1个数量级,而抗热震能力高近20倍。但,其断裂韧性差,抗拉强度低,易于发生脆性断裂,必须由陶瓷面板与复合材料背板粘结而成的陶瓷复合靶板,才能克服陶瓷由于拉应力引起的失效。这种复合靶板的制作,通常是利用小块排布的陶瓷面板与复合材料背板粘接,这样同时也能避免整块的陶瓷面板破碎,弹丸侵入时仅会粉碎单块装甲。

此外,碳化硅和碳化硼材料目前的价格仍然较高,碳化硼的价格甚至达到每千克700-800元,为氧化铝材料的近乎10倍。然而,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,碳化硅与碳化硼材料作为防弹装甲材料的双子星,相信仍有很大的进步空间。 

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