防弹陶瓷材料的研究现状及发展趋势
摘要
现代战争中火力越来越强大，要想减少己方的损失，确保人员和装备在战场上尽可能地生存下来，防弹材料的研究与应用显得尤为重要。防弹材料从诞生到现在历经了以锰钢、钨钢、铝合金、钛合金等硬质金属为主的防弹材料，到以尼龙纤维、芳纶纤维、UHMWP纤维、凯夫拉纤维等高分子防弹材料，再到以金属材料与陶瓷材料复合体系、陶瓷材料与高分子材料复合体系，以及包括有机材料和无机材料相结合的复合体系防弹材料3代的发展。 以金属和陶瓷为主的硬质防弹材料其防弹原理主要是利用其具备强度高、硬度大的特点阻止弹体侵入或者弹开炸裂后的弹体碎片，以高分子材料为主的软体防弹材料的防弹机理主要是纤维在阻止弹体碎片浸入时产生了纤维的拉伸和剪切，并进一步引起纤维断裂，因纤维具有高强度的特点，在此过程中，弹体的冲击能得到很好的吸收与消释。 在以上三种防弹材料中，金属防弹材料具有强度高、韧性强、弹性模量大等优点，但密度大或价格高等缺点限制了装备的机动性和灵活性，从而影响其推广，高分子防弹材料具有密度小、强度高、耐高温、腐蚀、绝热、绝缘等优点，但成型工艺复杂、造价较高、硬度低等缺点同样也限制了其使用，陶瓷材料具有高强高硬的特点，再加之其抗磨损和腐蚀性能强、热膨胀系数小、制造工艺简单等特性，已成为近些年防弹材料的研究热点，相关成果也在军事领域得到广泛应用。 本文就三种常见防弹陶瓷氧化铝、碳化硅、碳化硼的性能、单一型防弹陶瓷韧性增强以及陶瓷复合材料研究现状等方面，综述陶瓷材料在防弹方面的研究现状及发展趋势。 01 三种典型的防弹陶瓷材料 1.1 氧化铝陶瓷 氧化铝（aluminium oxide）又称矾土，分子式Al2O3，通过离子键连接在一起，常见有α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3三种晶胞体，其中，β-Al2O3热稳定性差，高温时（1300 ℃以上）主要以 α-Al2O3 存在，α-Al2O3 具有很高的熔点（α-Al2O3熔点2054℃）、沸点（α-Al2O3 沸点：2980 ℃）和硬度（莫氏硬度仅次于金刚石，达到9级），在高温条件下（1500 ℃）仍然具有较高的强度和硬度，氧化铝陶瓷还具有良好的化学稳定性、导热性、耐磨性、抗氧化。其主要缺点是脆性高，韧性差，限制使用，由于其价优，目前主要使用在防护要求等级较低的装备上。 在烧结成型工艺上有热压、热等静压法。如专利CN202110275683.1中提到氧化铝陶瓷采用低温慢烧工艺制备出的防弹材料密度为3.9g/cm3、抗弯强度 358MPa、维氏硬度16.9GPa，其不足之处在于采用低温慢烧工艺耗时过长，对窑具提出更高的要求以及加重了能耗 ；又如专利 CN201810749927.3中采用高温固相烧结制备出了一种高韧性氧化铝基防弹陶瓷，制备出陶瓷具有强度高、硬度高、韧性高和体积密度较低的特点，但烧成温度达1800 ℃且保温时间长，其不足在于烧成温度过高，耗费了能源，增加了成本。 1.4 三种典型防弹陶瓷的性能比较 虽然这三种典型防弹陶瓷都具有高强度、高硬度、低密度等特征，但是三者又存在一些区别，三者性能如表1，从表1中可以看出三者当中密度最小的是碳化硼，单位价格最高，碳化硅在三者中表现出更好的断裂韧性，在价格方面氧化铝陶瓷最便宜，只有碳化硼的1/10。 02 防弹陶瓷材料性能改善研究现状 2.1 氧化铝陶瓷改善致密性、增强韧性的研究 目前，氧化铝陶瓷主要是通过增加增韧材料如纤维、颗粒等或通过工艺改进，改善陶瓷内部微观结构如通过陶瓷成型技术来改善陶瓷的致密性和韧性。 王得盼等通过在氧化铝陶瓷浆料中均匀地添加氧化铝纤维粉末，能明显地改善陶瓷的抗拉强度和韧性，纤维添加量10%时，韧性增加断裂韧性提高了30.33%，抗弯强度提高17.15%，但材料致密度较无添加时下降，材料致密度在纤维掺入量为5%时达到最大值。 王升等通过在75氧化铝陶瓷中加入ZrSiO4，在添加2%ZrSiO4后，陶瓷的抗弯强度和韧性达到最大值，体积密度也达到了最大值，击穿强度提高了36.5%。 史国普等人将莫来石纤维加入氧化铝陶瓷，当添加量达到15%时，弯曲强度和韧性提高最多，提高分别达到63.8%和54.7%。通过分析断口处的 SEM照片得出纤维材料增韧的原理是陶瓷断裂时，断口处纤维材料存在“拔出效应”，延长了陶瓷微裂纹、裂纹扩展的路径。黄国威等通过采用两步法代替传统的一步法烧结陶瓷，发现在1400℃保温3h，陶瓷的致密性最高，氧化铝的抗弯强度达到 (348±7.15)MPa。代金山等通过NH4F改变高纯氧化铝的微观结构，当NH4F 的质量分数达到4%时（此时陶瓷晶体由板状形貌向多面体形貌转变），陶瓷的密度达到最大值3.71g/cm3，进一步提高的材料的致密度。 李双等在碳化硅陶瓷中添加碳短纤维，碳短纤维加入可以降低陶瓷中游离硅的含量，形成 β-SiC层，增强碳化硅陶瓷韧性，当碳短纤维体积分数达到30% 时，碳化硅陶瓷断裂韧性达到 5.1 MPa·m1/2，较未添加碳短纤维的碳化硅陶瓷断裂韧性相比提高了78%。 魏少华等人通过研究等温锻造技术发现，SiC颗粒呈流线均匀分布在铝基体中，锻件（弦向取样）的性能得到明显的提高，测得Rm=500 MPa、Rp0.2=330 MPa、A=7%、K1C=25.0 MPa·m1/2。 邢媛媛等通过优化碳化硅粉体的粗细颗粒级配来增强碳化硅韧性，研究表明粗粉的引入可以抑制 S-SiC陶瓷中异常晶粒的长大，晶粒呈现细小的等轴状，随着粗粉含量增加，S-SiC陶瓷韧性呈现先增加后减少规律，在粗粉含量为65%时，S-SiC陶瓷韧性最大，较之未加粗粉时提高了17.1%，达到 (4.92±0.24)MPa·m1/2。 目前，碳化硼陶瓷韧性增强的方法主要是优化材料组分如通过增加纤维 / 晶须增韧、第二相颗粒增韧（金属相、过渡金属硼化物、石墨烯、纳米颗粒、稀土化合物等和改变陶瓷内部晶体结构实现，如控制陶瓷显微结构，减少晶粒的颗粒度，增加陶瓷的致密性，陶瓷形成层状结构。