裝甲防護(hù)陶瓷材料的研究與應(yīng)用*

張文毓

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 河南 洛陽(yáng) 471023)

為適應(yīng)現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)。作為提高艦船生存能力的一項(xiàng)重要的被動(dòng)防護(hù)技術(shù)——裝甲防護(hù)日益受到重視。二戰(zhàn)前后，艦船裝甲防護(hù)主要以均質(zhì)金屬裝甲為主，但隨著武器裝備的發(fā)展，特別是聚能破甲反艦導(dǎo)彈的發(fā)展，目前已可穿透厚1 000 mm以上的均質(zhì)鋼裝甲，對(duì)艦攻擊時(shí)一般都能穿透艦體，并形成直徑10 m左右的爆炸破口。因此，傳統(tǒng)的鋼裝甲已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的要求，必須研制出密度小、防護(hù)能力高的新型輕質(zhì)防彈裝甲。自20世紀(jì)70 年代以來(lái)，隨著材料技術(shù)的發(fā)展，由單一依靠均質(zhì)鋼裝甲逐步向設(shè)計(jì)復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)發(fā)展方向已成為艦船裝甲防護(hù)技術(shù)的主流。

目前輕型防護(hù)裝甲的設(shè)計(jì)是提高其防護(hù)能力和盡量減輕自重，以提高其機(jī)動(dòng)能力。陶瓷材料因其密度小，且具有比裝甲鋼更高的硬度、抗壓強(qiáng)度、耐熱性、動(dòng)態(tài)應(yīng)力性能，而被廣泛應(yīng)用于輕型復(fù)合裝甲的設(shè)計(jì)中。故輕型復(fù)合裝甲為多層結(jié)構(gòu)，以陶瓷板為主體，配合其他復(fù)合材料。突破傳統(tǒng)重型復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以高硬度陶瓷面板取代裝甲鋼面板，充分發(fā)揮陶瓷的高硬度和高抗壓強(qiáng)度，可提高陶瓷復(fù)合裝甲的抗彈性能[1]。

1 概述

為了應(yīng)對(duì)當(dāng)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)，世界各國(guó)對(duì)防彈裝甲技術(shù)越來(lái)越重視，對(duì)裝甲材料的性能提出了越來(lái)越高的要求。裝甲的防護(hù)性能主要是通過(guò)抗侵徹能力、抗沖擊能力、抗崩落能力和自重等方面來(lái)予以評(píng)價(jià),因此裝甲材料應(yīng)盡可能地滿足高硬度、高強(qiáng)度、高韌性以及低密度，即“三高一低”的要求。

裝甲防護(hù)材料主要用于裝甲車輛、坦克、航母、艦艇、直升機(jī)等裝備，它們能承受反裝甲武器的攻擊，可提高武器裝備和作戰(zhàn)人員的生存能力和作戰(zhàn)能力?？v觀古今中外，用做裝甲的材料大體有4類，即：金屬、陶瓷、凱芙拉(Kevlar)和玻璃鋼。金屬材料具有高硬度和韌性，但是硬度較陶瓷材料低，特別是密度大，不能滿足單兵和裝備高靈活性的要求，成為逐步被其他材料所替換的主要原因。凱芙拉和陶瓷材料與金屬材料相比具有密度低、耐高溫等諸多優(yōu)點(diǎn)，滿足了坦克及其它軍用裝甲車輛輕量化、高防護(hù)性及高機(jī)動(dòng)性的需求，在武器裝備上的應(yīng)用日益廣泛[2]。

目前，國(guó)外已經(jīng)在艦船上應(yīng)用了大量的陶瓷裝甲。美國(guó)在艦船的天線、炮臺(tái)上都已使用了陶瓷復(fù)合裝甲，并預(yù)計(jì)其在研的AAAV級(jí)兩棲攻擊艦艇也將會(huì)使用陶瓷復(fù)合裝甲；此外，資料顯示，國(guó)外的水陸兩棲戰(zhàn)車、海軍登陸艇等都不同程度地利用陶瓷基復(fù)合裝甲的優(yōu)秀抗彈性能提高其抵御來(lái)自岸防武器威脅的能力。據(jù)悉，美國(guó)在研制作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)靈活的小型巡邏艇、微型潛艇等新式輕型艦船，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，陶瓷裝甲作為防御系統(tǒng)的主體得到了充分的肯定。

2 研究現(xiàn)狀

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(qiáng)度和在許多環(huán)境下的化學(xué)惰性。同時(shí)，因其相對(duì)于金屬的低密度、高硬度和高抗壓強(qiáng)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(jī)等裝備的防護(hù)裝甲。在20世紀(jì)60年代，B4C最先用于設(shè)計(jì)防彈背心，之后裝配到飛機(jī)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20世紀(jì)70年代后被美國(guó)等西方軍事強(qiáng)國(guó)應(yīng)用于運(yùn)兵車、坦克及軍機(jī)等。陶瓷裝甲主要應(yīng)用于裝甲車輛，在實(shí)際應(yīng)用中常以復(fù)合裝甲的形式出現(xiàn)，如英國(guó)“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(hù)材料的主要優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)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(shì)則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(gè)方面進(jìn)行。國(guó)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[3]。

用于裝甲防護(hù)的單相陶瓷主要包括氧化鋁、碳化硼和碳化硅。表1為3種陶瓷的特征性能。盡管單相陶瓷具備一定的防彈能力，但共性問(wèn)題是斷裂韌性低、脆性大，因此，防彈陶瓷的強(qiáng)韌化一直是研究的熱點(diǎn)方向。強(qiáng)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(jì)等。Medvedovski對(duì)SiC-Al2O3、SiC-Si3N4-Al2O3、SiC-Si-Al2O3和SiC-Si3N4-Si-Al2O3這些碳化硅基的復(fù)合材料進(jìn)行了研究。

復(fù)合裝甲包括2層含義：一是裝甲用復(fù)合材料制成，二是裝甲采用了復(fù)合結(jié)構(gòu)。任何復(fù)合裝甲的研究都是為了優(yōu)化復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，陶瓷復(fù)合裝甲早已不限于2種復(fù)合材料和較為單一的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了陶瓷、金屬、纖維、硅硫等復(fù)數(shù)復(fù)合，且結(jié)構(gòu)方面也出現(xiàn)了復(fù)數(shù)層數(shù)。通過(guò)對(duì)陶瓷復(fù)合裝甲的種類和現(xiàn)今應(yīng)用情況的分析，不難發(fā)現(xiàn)，陶瓷+復(fù)合金屬采用功能梯度復(fù)合形式的復(fù)合材料是較為理想的應(yīng)用形式。主要研究的方向在于具體組分設(shè)計(jì)、微觀修飾、制備工藝的改進(jìn)以及對(duì)成本的控制[4]。

表1 典型防彈陶瓷的性能

2.1 氧化鋁(Al2O3)陶瓷

氧化鋁陶瓷具有高硬度、高耐磨、低摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，通常以單晶體和多晶體的形式，用于要求耐熱和耐磨的各種應(yīng)用中。在一些特殊應(yīng)用中采用晶須增韌和相變?cè)鲰g陶瓷，例如，耐火材料、火花塞絕緣體、裝甲和軸承等。不過(guò)，陶瓷也擁有太脆韌性不夠等缺點(diǎn)。氧化鋁陶瓷基本上不存在塑性變形，低韌性會(huì)導(dǎo)致其很容易受到熱和機(jī)械沖擊載荷而發(fā)生破壞。氧化鋁陶瓷應(yīng)用于裝甲設(shè)計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格便宜而且成形工藝多種多樣。

2.2 碳化硼(B4C)陶瓷

碳化硼(B4C)陶瓷是一種密度低、高耐磨、高強(qiáng)度極硬的陶瓷。碳化硼陶瓷廣泛應(yīng)用于坦克車的裝甲、防彈衣、噴砂嘴、特殊密封環(huán)以及其他很多工業(yè)用品中。

碳化硼陶瓷是一種重要的工程陶瓷材料，具有低密度(2.52 g/cm3)、高熔點(diǎn)(2 450 ℃)、高硬度、高彈性模量、化學(xué)穩(wěn)定性好以及高中子俘獲率等特點(diǎn)，因此B4C及其復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用于工程領(lǐng)域,尤其是用作新型裝甲陶瓷。早在20世紀(jì)60 年代，美國(guó)就推出了以B4C為芯部的防彈復(fù)合裝甲，黑鷹武裝直升機(jī)的機(jī)身腹部和乘員座椅也采用由B4C和Kevlar纖維組成的復(fù)合裝甲。但是，碳化硼是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物(共價(jià)鍵比例達(dá)到93%以上)，塑性差，晶界移動(dòng)阻力大，并且在碳化硼粉體顆粒表面常常有一層B2O3薄膜，阻礙了燒結(jié)過(guò)程中的物質(zhì)擴(kuò)散，因此B4C是一種極難燒結(jié)的陶瓷材料，這極大地限制了B4C陶瓷的應(yīng)用[5]。

2.3 碳化硅陶瓷

SiC陶瓷由于具有高溫強(qiáng)度大、抗氧化性強(qiáng)、耐磨損性好、熱穩(wěn)定性佳、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、硬度高以及抗熱震和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性，因此是當(dāng)前最有前途的結(jié)構(gòu)陶瓷之一，并且已在許多高技術(shù)領(lǐng)域(如空間技術(shù)、核物理等)及基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)(如石油化工、機(jī)械、車輛、造船等)得到應(yīng)用，如用作精密軸承、密封件、氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、噴嘴、熱交換器部件及原子核反應(yīng)堆材料等。將SiC陶瓷用作裝甲材料是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。作為裝甲材料，對(duì)陶瓷的抗彎強(qiáng)度和硬度則有更高的要求[6]。

2.4 硼化鈦(TiB2)陶瓷

硼化鈦陶瓷(TiB2)是一種具有高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨性的非氧化物陶瓷。目前，主要應(yīng)用于防彈衣、裝甲和切割材料等。熱壓、熱等靜壓(HIP)、無(wú)壓燒結(jié)和微波燒結(jié)等工藝都可以用于生產(chǎn)完全致密的硼化鈦陶瓷。

2.5 纖維增韌陶瓷復(fù)合材料

戰(zhàn)爭(zhēng)中人員和裝備的快速安全移動(dòng)對(duì)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)防護(hù)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(huì)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。

由陶瓷/凱芙拉材料組成的復(fù)合裝甲自從問(wèn)世以來(lái)，由于其特有的物理性能和良好的防彈、防輻射能力，在武器裝備、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸廣泛。美國(guó)、俄羅斯、日本、歐共體等己經(jīng)把該復(fù)合裝甲成功地應(yīng)用在多種武器裝備上，顯著地提高了綜合防護(hù)能力。但鑒于技術(shù)保密，有關(guān)該材料的加工方法、加工技術(shù)很少有文章發(fā)表。

2.6 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(kāi)發(fā)和研究?，F(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)裝甲系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的防護(hù)，還要求不能妨礙士兵們的行動(dòng)能力，變“被動(dòng)”為“主動(dòng)”，發(fā)展能預(yù)先識(shí)別目標(biāo)，并利用誘餌觸發(fā)和物理摧毀方式破壞來(lái)襲武器的“主動(dòng)裝甲”，成為作戰(zhàn)中的一大優(yōu)勢(shì)。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(hù)領(lǐng)域，既能保護(hù)人體又能隨時(shí)觀察敵情。透明陶瓷因高強(qiáng)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(hù)材料，如面罩、導(dǎo)彈探測(cè)窗口、地面作戰(zhàn)車輛保護(hù)窗、飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃和降落窗等，主要有單晶氧化鋁(藍(lán)寶石)、氮氧化鋁和鎂鋁尖晶石。

當(dāng)前，陶瓷裝甲材料研究的重點(diǎn)是提高其韌性并降低生產(chǎn)成本。美國(guó)采用微波燒結(jié)技術(shù)提高生產(chǎn)效率，大幅降低了生產(chǎn)成本，并實(shí)現(xiàn)了碳化硅和硼化鈦陶瓷材料的規(guī)模化生產(chǎn)。為提高抗彈性能，美國(guó)計(jì)劃發(fā)展全致密碳化硅、氧化鋁、硼化鈦和碳化硼等單質(zhì)陶瓷材料、陶瓷基復(fù)合材料及透明陶瓷材料[7]。

陶瓷材料憑借其優(yōu)異特性，已經(jīng)成為了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外裝甲防護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與發(fā)展重點(diǎn)。由于軍事工程應(yīng)用的需要，如何提高陶瓷材料的力學(xué)性能，深入探究裝甲防護(hù)陶瓷材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性以及陶瓷復(fù)合裝甲的抗彈機(jī)理，成為了當(dāng)前裝甲防護(hù)的重點(diǎn)研究課題。

3 應(yīng)用進(jìn)展

目前，世界各國(guó)對(duì)于裝甲防護(hù)技術(shù)研究可以分為材料改進(jìn)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2個(gè)方向。在軍用裝甲上應(yīng)用較為廣泛的防護(hù)材料主要有金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料等，功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有蜂窩結(jié)構(gòu)、金屬封裝結(jié)構(gòu)等特殊結(jié)構(gòu)。

對(duì)裝甲材料要求的防彈性能包括抗侵徹、抗沖擊和抗崩落能力。陶瓷材料作為一種先進(jìn)的高技術(shù)材料，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、高耐磨性和質(zhì)量輕的特點(diǎn)，它不僅可用在坦克的防護(hù)上, 而且也可用在飛機(jī)、艦船、車輛、關(guān)鍵部位的防彈遮蔽層和單兵作戰(zhàn)的防護(hù)上，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。實(shí)踐表明，世界上許多先進(jìn)坦克采用高性能的陶瓷防護(hù)裝甲后，防護(hù)能力都得到了明顯提高。為了提高防彈能力，一般采用陶瓷復(fù)合裝甲。艦船用陶瓷復(fù)合裝甲除了要求有良好的防彈性能外，還需要質(zhì)量輕，所以對(duì)裝甲的要求是密度盡可能小。因此，在裝甲的設(shè)計(jì)中必須充分考慮復(fù)合裝甲中各個(gè)組成部分的密度，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在最小面密度下實(shí)現(xiàn)最大防護(hù)效果[8]。

3.1 防彈陶瓷

陶瓷是一種脆性材料，在受到?jīng)_擊時(shí)容易破碎，通常不單獨(dú)做成防護(hù)裝甲，而是與金屬和其它纖維材料一起做成復(fù)合裝甲；復(fù)合裝甲中使用的陶瓷通常被改成陶瓷塊，使得當(dāng)某塊陶瓷被彈體擊碎時(shí)，其它陶瓷塊還仍然有效。陶瓷材料主要應(yīng)用于以對(duì)付中、大口徑長(zhǎng)桿穿甲彈為首要目標(biāo)的裝甲系統(tǒng)， 這些彈藥主要采用燒蝕破壞機(jī)理，另外也應(yīng)用于防彈背心， 陶瓷與復(fù)合背面材料結(jié)合使用提供要求的防護(hù)能力。工程應(yīng)用中， 陶瓷復(fù)合裝甲廣泛用在坦克、裝甲車等裝備的防護(hù)裝甲上。但陶瓷材料塑性差、斷裂強(qiáng)度低、易產(chǎn)生脆性斷裂，且不能二次防彈，此外，其成形尺寸較小、生產(chǎn)效率低，且因其具有極高的硬度和脆性，二次成形加工十分困難，特別是成形孔的加工尤其困難， 因而制備成本高，使用局限性較大。

目前，用于防彈的三大陶瓷材料是氧化鋁(Al2O3)、碳化硅(SiC)和碳化硼(B4C)。氧化鋁因其成本低而在防彈上得到更廣泛的應(yīng)用，但其防彈等級(jí)最低、密度也最大； 碳化硼防彈性能最好、密度最小，但其價(jià)格最為昂貴，20 世紀(jì)60年代就最先用來(lái)作為設(shè)計(jì)防彈背心的材料；碳化硅陶瓷材料在成本、防彈性能和密度指標(biāo)方面均介于二者之間。因而最有可能成為氧化鋁防彈陶瓷的升級(jí)換代產(chǎn)品[9]。

3.2 陶瓷復(fù)合裝甲的應(yīng)用現(xiàn)狀

陶瓷面板+金屬背板復(fù)合裝甲作為結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、成本相對(duì)低廉的復(fù)合裝甲，被研究最多，多被制造為輕型復(fù)合裝甲。面板通常采用Al2O3、SiC、B4C陶瓷等，背板一般采用芳綸、高強(qiáng)度聚乙烯等，粘接一般用橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂等。是制作單兵裝甲、防彈衣、小型關(guān)鍵部位防護(hù)裝甲的首選。碳化硅基陶瓷復(fù)合裝甲受限于其高昂的價(jià)格，多被應(yīng)用于特種作戰(zhàn)領(lǐng)域，例如特種兵防彈衣、軍用特種車輛裝甲、武裝直升機(jī)裝甲。它也被看做是最有應(yīng)用前途的陶瓷復(fù)合裝甲之一，只要能夠降低其制造成本并解決其韌性稍差的問(wèn)題，將會(huì)被大量應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克、輕型裝甲車輛等領(lǐng)域。目前最普遍的陶瓷復(fù)合裝甲是氧化鋁基陶瓷復(fù)合裝甲，它有著較好韌性、抗熱沖擊性，價(jià)格低廉，生產(chǎn)技術(shù)簡(jiǎn)易。被廣泛應(yīng)用于民、警單兵防護(hù)和民、警用押運(yùn)車及對(duì)裝甲強(qiáng)度要求較低的領(lǐng)域。

目前圣戈班陶瓷公司可提供滿足復(fù)合裝甲系統(tǒng)性能要求的陶瓷材料?；?0多年來(lái)在復(fù)合裝甲系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，該公司可提供最終產(chǎn)品、半成品、機(jī)加毛坯、壓制近凈形毛坯、大體積壓制凈形部件和復(fù)雜機(jī)加部件產(chǎn)品。生產(chǎn)的陶瓷材料包括：輕型高硬度、高壓縮強(qiáng)度Hexoloy?燒結(jié)碳化硅(SSiC)，具有最佳強(qiáng)度和抗氧化性CRYSTAR?反應(yīng)燒結(jié)碳化硅(SiSiC)，高模量高聲速Silit?SKD反應(yīng)燒結(jié)碳化硅(SiSiC)，低密度高硬度Norbide?熱壓碳化硼(B4C)，最高硬度最高剛度的T196/T198氧化鋁(Al2O3)，高硬度氧化物復(fù)合陶瓷TZ3(Alumina Zirconia)和用于紅外窗口的極硬長(zhǎng)壽命抗刮傷Saphikon?藍(lán)寶石材料等[10]。

3.3 陶瓷一金屬功能梯度復(fù)合材料在裝甲防護(hù)中的應(yīng)用

現(xiàn)在一般應(yīng)用的陶瓷一金屬?gòu)?fù)合材料，盡管具有很多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料的破壞；若采用陶瓷一金屬功能梯度復(fù)合材料，將會(huì)改變這種狀況。這是因?yàn)椋沾梢唤饘俟δ芴荻葟?fù)合材料是一種采用多元化技術(shù)制造的新型非均勻復(fù)合材料，在這種材料中，一面是陶瓷，一面是金屬，中間是從陶瓷到金屬逐漸變化的板材，可以兼具陶瓷材料和金屬材料的雙重特點(diǎn)，即可以具有陶瓷的硬度和耐腐蝕、耐高溫的特性，同時(shí)還具有金屬的強(qiáng)度和韌性。并且在這種材料中，由于各組分材料的體積含量在空間位置上是連續(xù)變化的，而其物理性能沒(méi)有突變，因而可較好地避免諸如在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中經(jīng)常出現(xiàn)的層間應(yīng)力問(wèn)題，并降低應(yīng)力集中現(xiàn)象[11]。

為克服目前陶瓷復(fù)合裝甲材料的結(jié)構(gòu)缺陷，美國(guó)材料科學(xué)家于1999年提出“陶瓷/金屬功能梯度裝甲材料(FGAC)”的新概念，即利用陶瓷/金屬功能梯度材料層間界面上非突變聲阻特性及梯度層間冶金結(jié)合所具有的良好橫向剪切強(qiáng)度，不僅能有效緩解材料的動(dòng)態(tài)損傷，提升材料反侵徹效能，同時(shí)又可以促進(jìn)陶瓷復(fù)合裝甲材料輕質(zhì)化發(fā)展，所以陶瓷/金屬功能梯度裝甲材料得到了材料界(尤其是兵器材料科學(xué)界)的高度重視與深入研究，成為今后陶瓷復(fù)合裝甲材料的發(fā)展趨勢(shì)之一[12]。

目前國(guó)外科研人員研究的防彈用陶瓷-金屬功能梯度復(fù)合材料主要有Ti-TiB2體系以及Al2O3/Al、SiC/Al、B4C/Al、Si3N4/Al等復(fù)合體系。國(guó)外研究人員分別從功能梯度材料的制備、材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、應(yīng)力波在功能梯度材料內(nèi)的傳播以及裂紋的擴(kuò)展等方面展開(kāi)研究。

近年來(lái)我國(guó)許多高校和研究所也相繼開(kāi)展了對(duì)功能梯度復(fù)合裝甲的研究，國(guó)內(nèi)的主要研究單位有北京理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、沈陽(yáng)金屬所等。目前研究的防彈用功能梯度復(fù)合材料體系主要有Al2O3/Al、SiC/Al、B4C/Al、Si3N4/Al等復(fù)合體系。國(guó)內(nèi)研究人員分別從功能梯度材料的制備、材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與組份分布規(guī)律的關(guān)系、材料的抗彈性能等方面展開(kāi)研究，并取得了一定的進(jìn)展[13]。

4 發(fā)展趨勢(shì)

目前， 裝甲陶瓷材料研究的重點(diǎn)是解決其韌性差及成本高的問(wèn)題。美國(guó)在降低陶瓷成本方面取得了較大進(jìn)展，如采用微波燒結(jié)技術(shù)極大地提高了生產(chǎn)效率， 大幅降低了材料成本， 并實(shí)現(xiàn)了SiC 和TiB2陶瓷材料的規(guī)模化生產(chǎn)。提高裝甲陶瓷材料性能方面主要途徑有：

1)用連續(xù)碳纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)的Si3N4比純Si3N4的斷裂韌性提高4倍，SiC 纖維/SiC可比純SiC的應(yīng)變量增大9倍。對(duì)于SiCw/Al2O3復(fù)合材料，當(dāng)晶須的體積分?jǐn)?shù)為20%以下時(shí)，其斷裂韌性與晶須含量呈較好的線性關(guān)系。金屬與陶瓷復(fù)合可明顯提高裝甲材料的韌性，如用SiC 或B4C顆粒增強(qiáng)鋁。美國(guó)DOW化工公司采用快速全面壓實(shí)工藝制造了B4C/Al 復(fù)合裝甲，其抗彈極限可達(dá)熱壓B4C的80%～90%，而韌性比單一的B4C好得多。另外，塑料陶瓷是一個(gè)新的研究領(lǐng)域，它系由陶瓷顆粒為主體(約占總質(zhì)量的85%)，以高聚物做膠粘劑混合而成，它只須采用一般聚合物成形加工技術(shù)。在等質(zhì)量基礎(chǔ)上比較， 這種塑料陶瓷比純陶瓷具有更好的抗彈性能，且可承受多發(fā)彈丸侵徹。

2)梯度功能材料(FGM)是通過(guò)精心設(shè)計(jì)和采用特殊的工藝，使陶瓷與金屬的復(fù)合物組分、結(jié)構(gòu)能連續(xù)地變化， 由陶瓷側(cè)過(guò)渡到金屬側(cè)形成了一種物性參數(shù)也連續(xù)變化的復(fù)合材料。FGM 的制備可采用化學(xué)氣相沉積法(CDV)、物理蒸鍍法(PVD)、薄膜疊層法、等離子噴涂法、自蔓延高溫合成法(SHS)及顆粒梯度排列法等， 其中以薄膜疊層法效果較好。已制成的FGM 有SiC-C、TiC-Ti、SiC-Al、Be4B-Be、TiC-Ni等，當(dāng)以Be4B-Be制作裝甲板時(shí)，從外表面到中心部位只含Be4B，然后以彌散方式加入Be，到背面為Be4B-10vol%Be。這比陶瓷面板和金屬背板組合的復(fù)合裝甲抗彈性能要好得多。

3)陶瓷材料的脆裂與其結(jié)構(gòu)敏感性密切相關(guān)，其斷裂往往始于表面或近表面處的缺陷。因此，必須盡可能消除其表面缺陷。諸如采用機(jī)械化學(xué)拋光、表面微氧化、氣相沉積和激光表面處理等，都可改善表面狀態(tài)，提高陶瓷的韌性。20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，人們采用離子注入法對(duì)Al2O3、SiC、Si3N4、ZrO2陶瓷材料的性能進(jìn)行了研究。在Al2O3表面注入Ni、Cr、Ti、Zr、Y 等離子可提高其表面硬度約50%，離子注入法也可使SiC和Si3N4的彎曲強(qiáng)度提高20%～30%[14]。

5 結(jié)語(yǔ)

不同的裝甲材料對(duì)反裝甲武器的攻擊有著不同的反應(yīng)，單一均質(zhì)材料構(gòu)成的裝甲通常只能防護(hù)特定的反裝甲武器。為了能夠應(yīng)對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的實(shí)際需求，同時(shí)防護(hù)多種反裝甲武器，復(fù)合裝甲的研究已成為必然趨勢(shì)。陶瓷復(fù)合裝甲作為其中的佼佼者，將朝著更高強(qiáng)度、更高韌性、更低廉的價(jià)格、更簡(jiǎn)易的制備工藝等方向發(fā)展。隨著陶瓷復(fù)合裝甲研究的進(jìn)展，能讓我國(guó)陶瓷復(fù)合裝甲技術(shù)水平得到飛躍性的提高，對(duì)我國(guó)國(guó)防領(lǐng)域技術(shù)會(huì)產(chǎn)生積極影響。