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鄒小姐：13326633089 -
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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境下的化學惰性。同時，因其相對于金屬的低密度﹑高硬度和高抗壓強度，使其在裝甲系統上的應用十分具有吸引力，己成為一種廣泛應用于防彈衣、車輛和飛機等裝備的防護裝甲。國內外現階段主要使用的特種防彈陶瓷有氧化鋁、碳化硅、碳化硼，本文就這三種材料在防彈裝甲領域的應用展開討論。
裝甲防護領域－裝甲車
一、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。絕大部分傳統的工程材料，如金屬材料通過結構發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。
陶瓷材料防彈原理過程
其中，陶瓷材料的抗彈性能主要由以下三方面決定。
1）陶瓷材料的自身硬度及抗壓強度。
2）陶瓷的斷裂韌性。
3）陶瓷的外觀尺寸及適當的緊固方法。
二、陶瓷材料簡介
（1）氧化鋁
氧化鋁陶瓷是以高溫氧化鋁（α-Al2O3）為主晶相的一系列陶瓷材料，而α-Al2O3 是自然界中唯一存在的Al2O3 變體，是所有變體中結構最緊密、活性最低、電化學性質最好的晶相，在所有溫度下都能穩定存在。
α-Al2O3密堆積的結構示意圖
氧化鋁性能
優點：作為防彈領域的第一代陶瓷，氧化鋁不僅是所有氧化物當中強度最大、硬度最高的﹐同時還具有良好的抗氧化性和化學惰性以及成本低，容易獲得等優點。此外燒結制品因其表面光潔、尺寸穩定、價格低廉，而被廣泛應用于各類裝甲車輛和軍警防彈服等。
缺點：低彎曲強度和斷裂韌性，抗熱震性較低。此外，氧化鋁的性能變化很大，主要取決于工藝參數、雜質含量、粒度和燒結溫度。同時氧化鋁的密度高，不能滿足裝甲領域向輕型化方向發展。
應用：
氧化鋁陶瓷材料裝甲防護應用
采用氧化鋁陶瓷材料的T-64坦克
（2）碳化硅
SiC具有比較獨特的晶體結構。以四個碳原子中的某一原子作為中心，硅原子作為配對原子將四個最外層電子，選擇其中一個電子與中心碳原子最外層的其中一個電子配對。依次循環操作，其最終結構相當于將硅－碳鍵組成的結構視為單一點陣，稱為金剛石四面體結構，這類結構展現了極高的硬度。同時此結構存在很強的共價鍵與很高的Si-C鍵能，從而使得碳化硅材料具備高模量值、高硬度和高比強度的特性。
常見的三種 SiC晶體結構示意圖
不同燒結工藝下碳化硅性能
優點：是應用最廣泛的非氧化物陶瓷，硬度高，僅次于鉆石、立方氮化硼和碳化硼。由于其低密度和高硬度，這種陶瓷非常適合彈道保護，同時在力學性能、密度性能和彈道性能以及應用的成本等方面都是氧化鋁和碳化硼之間的中間地帶。
應用：
碳化硅陶瓷材料裝甲防護應用
采用碳化硅陶瓷材料的以色列梅卡瓦坦克和SA330美洲豹直升機
（3）碳化硼
B4C 晶體屬于菱面體結構類型，其菱面體結構中，每個單位晶胞共含有 15 個原子，其中12個原子（B11C）構成了二十面體，形成一個空間立體結構，而剩下的三個原子則相互組合構成一個 C-B-C 鏈。二十面體通過共價鍵與C-B-C 鏈相連形成一個較為穩定的結構。同時其構成元素碳元素和硼元素性質和原子半徑非常相似，造成 B4C 擁有一些其他非氧化物沒有的優異性能。
B4C的晶體結構
不同燒結工藝下碳化硼性能
優點：近于恒定的高溫硬度以及良好的力學性能，同時，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域材料方面的良好選擇。
缺點：由于硼原子和碳原子之間的共價鍵的高度共價性，其燒結性較差。因此，有必要使用非常接近材料熔點的高燒結溫度。這些高溫導致殘余孔隙和隨后的晶粒間距，從而惡化材料的性能和性能。因此，通常使用熱壓或熱等靜壓燒結，這會導致更高的制造成本。
應用：
碳化硼陶瓷材料裝甲防護應用
(a)“攔截者”防彈衣；(b)V-22魚鷹傾轉旋翼機；（c）德國豹式坦克
三、防彈陶瓷的制備方法
從圖12各制備工藝的特點可以發現，目前發展較為成熟的工藝是反應燒結、無壓燒結和液相燒結，像熱壓燒結和熱等靜壓燒結由于受到成熟性較低，生產成本較高，產品尺寸的限制等缺點而受限；對于超高壓燒結、微波燒結、放電等離子燒結和等離子束熔融法這幾種制備工藝，雖然是較為新穎的制備手段，但成熟性最低，同時對于技術和設備的要求較高，需要投入的生產費用高，實現批量化的可行性較低，對實際應用意義不大。
各制備工藝特點
四、陶瓷大討論
自21世紀以來，防彈陶瓷發展迅速，其中以氧化鋁陶瓷（Al2O3）、碳化硅陶瓷（SiC）、碳化硼陶瓷（B4C）應用最廣。由圖12可以看出，這3種陶瓷均為高彈性模量的材料，但斷裂韌性普遍較低，且碳化硅和碳化硼材料價格為氧化鋁材料的近乎10倍。綜合前面各陶瓷材料的優缺點，氧化鋁由于密度最高，低彎曲強度和斷裂韌性而受到了必要的限制。但是價格低廉，工藝成熟仍然是其最大優勢；碳化硼則存在制造成本和原材料成本高，同時抗多次打擊的效率低，但密度低是其顯著優點；對碳化硅而言，其在機械性能、密度和防彈性能以及應用成本方面都介于氧化鋁和碳化硼之間，性價比最高，因此已成為現有最有應用前途的防彈陶瓷材料之一。
各防彈陶瓷的性能對比
總結
總體而言，防彈陶瓷需要考慮防彈性能、質量（面密度）、成本這3種因素，在不同的條件下，應根據不同的防護要求，在防彈性能、質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，使質量與成本更低，才能更好地滿足需要。與此同時單相陶瓷斷裂韌性、脆性差的問題也不容忽視。近年來專家學者們通過微觀調節包括多元陶瓷體系復合、功能梯度陶瓷、層狀結構設計等來實現陶瓷的強韌化、輕量化和經濟化，并且這樣的護甲相對于如今的裝甲重量輕，更好地提高了作戰單位的機動性能。
參考文獻：
1、防彈裝甲中的陶瓷材料 吳燕平
2、防彈陶瓷的燒結工藝及發展現狀 羅娟等
3、碳化硅抗彈陶瓷的研究進展及在裝甲防護領域的應用 魏汝斌等
4、碳化硼陶瓷的燒結與應用新進展 楊亮亮等
5、Review of ballistic performance of alumina: Comparison of alumina withsilicon carbide and boron carbide M.S.Boldin
作者：晴天
