摘要
現(xiàn)代戰(zhàn)爭中火力越來越強(qiáng)大，要想減少己方的損失，確保人員和裝備在戰(zhàn)場上盡可能地生存下來，防彈材料的研究與應(yīng)用顯得尤為重要。防彈材料從誕生到現(xiàn)在歷經(jīng)了以錳鋼、鎢鋼、鋁合金、鈦合金等硬質(zhì)金屬為主的防彈材料，到以尼龍纖維、芳綸纖維、UHMWP纖維、凱夫拉纖維等高分子防彈材料，再到以金屬材料與陶瓷材料復(fù)合體系、陶瓷材料與高分子材料復(fù)合體系，以及包括有機(jī)材料和無機(jī)材料相結(jié)合的復(fù)合體系防彈材料3代的發(fā)展。 以金屬和陶瓷為主的硬質(zhì)防彈材料其防彈原理主要是利用其具備強(qiáng)度高、硬度大的特點(diǎn)阻止彈體侵入或者彈開炸裂后的彈體碎片，以高分子材料為主的軟體防彈材料的防彈機(jī)理主要是纖維在阻止彈體碎片浸入時產(chǎn)生了纖維的拉伸和剪切，并進(jìn)一步引起纖維斷裂，因纖維具有高強(qiáng)度的特點(diǎn)，在此過程中，彈體的沖擊能得到很好的吸收與消釋。 在以上三種防彈材料中，金屬防彈材料具有強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、彈性模量大等優(yōu)點(diǎn)，但密度大或價格高等缺點(diǎn)限制了裝備的機(jī)動性和靈活性，從而影響其推廣，高分子防彈材料具有密度小、強(qiáng)度高、耐高溫、腐蝕、絕熱、絕緣等優(yōu)點(diǎn)，但成型工藝復(fù)雜、造價較高、硬度低等缺點(diǎn)同樣也限制了其使用，陶瓷材料具有高強(qiáng)高硬的特點(diǎn)，再加之其抗磨損和腐蝕性能強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)小、制造工藝簡單等特性，已成為近些年防彈材料的研究熱點(diǎn)，相關(guān)成果也在軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 本文就三種常見防彈陶瓷氧化鋁、碳化硅、碳化硼的性能、單一型防彈陶瓷韌性增強(qiáng)以及陶瓷復(fù)合材料研究現(xiàn)狀等方面，綜述陶瓷材料在防彈方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 01 三種典型的防彈陶瓷材料 1.1 氧化鋁陶瓷 氧化鋁（aluminium oxide）又稱礬土，分子式Al2O3，通過離子鍵連接在一起，常見有α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3三種晶胞體，其中，β-Al2O3熱穩(wěn)定性差，高溫時（1300 ℃以上）主要以 α-Al2O3 存在，α-Al2O3 具有很高的熔點(diǎn)（α-Al2O3熔點(diǎn)2054℃）、沸點(diǎn)（α-Al2O3 沸點(diǎn)：2980 ℃）和硬度（莫氏硬度僅次于金剛石，達(dá)到9級），在高溫條件下（1500 ℃）仍然具有較高的強(qiáng)度和硬度，氧化鋁陶瓷還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、耐磨性、抗氧化。其主要缺點(diǎn)是脆性高，韌性差，限制使用，由于其價優(yōu)，目前主要使用在防護(hù)要求等級較低的裝備上。 在燒結(jié)成型工藝上有熱壓、熱等靜壓法。如專利CN202110275683.1中提到氧化鋁陶瓷采用低溫慢燒工藝制備出的防彈材料密度為3.9g/cm3、抗彎強(qiáng)度 358MPa、維氏硬度16.9GPa，其不足之處在于采用低溫慢燒工藝耗時過長，對窯具提出更高的要求以及加重了能耗 ；又如專利 CN201810749927.3中采用高溫固相燒結(jié)制備出了一種高韌性氧化鋁基防彈陶瓷，制備出陶瓷具有強(qiáng)度高、硬度高、韌性高和體積密度較低的特點(diǎn)，但燒成溫度達(dá)1800 ℃且保溫時間長，其不足在于燒成溫度過高，耗費(fèi)了能源，增加了成本。 1.4 三種典型防彈陶瓷的性能比較 雖然這三種典型防彈陶瓷都具有高強(qiáng)度、高硬度、低密度等特征，但是三者又存在一些區(qū)別，三者性能如表1，從表1中可以看出三者當(dāng)中密度最小的是碳化硼，單位價格最高，碳化硅在三者中表現(xiàn)出更好的斷裂韌性，在價格方面氧化鋁陶瓷最便宜，只有碳化硼的1/10。 02 防彈陶瓷材料性能改善研究現(xiàn)狀 2.1 氧化鋁陶瓷改善致密性、增強(qiáng)韌性的研究 目前，氧化鋁陶瓷主要是通過增加增韌材料如纖維、顆粒等或通過工藝改進(jìn)，改善陶瓷內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)如通過陶瓷成型技術(shù)來改善陶瓷的致密性和韌性。 王得盼等通過在氧化鋁陶瓷漿料中均勻地添加氧化鋁纖維粉末，能明顯地改善陶瓷的抗拉強(qiáng)度和韌性，纖維添加量10%時，韌性增加斷裂韌性提高了30.33%，抗彎強(qiáng)度提高17.15%，但材料致密度較無添加時下降，材料致密度在纖維摻入量為5%時達(dá)到最大值。 王升等通過在75氧化鋁陶瓷中加入ZrSiO4，在添加2%ZrSiO4后，陶瓷的抗彎強(qiáng)度和韌性達(dá)到最大值，體積密度也達(dá)到了最大值，擊穿強(qiáng)度提高了36.5%。 史國普等人將莫來石纖維加入氧化鋁陶瓷，當(dāng)添加量達(dá)到15%時，彎曲強(qiáng)度和韌性提高最多，提高分別達(dá)到63.8%和54.7%。通過分析斷口處的 SEM照片得出纖維材料增韌的原理是陶瓷斷裂時，斷口處纖維材料存在“拔出效應(yīng)”，延長了陶瓷微裂紋、裂紋擴(kuò)展的路徑。黃國威等通過采用兩步法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一步法燒結(jié)陶瓷，發(fā)現(xiàn)在1400℃保溫3h，陶瓷的致密性最高，氧化鋁的抗彎強(qiáng)度達(dá)到 (348±7.15)MPa。代金山等通過NH4F改變高純氧化鋁的微觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)NH4F 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時（此時陶瓷晶體由板狀形貌向多面體形貌轉(zhuǎn)變），陶瓷的密度達(dá)到最大值3.71g/cm3，進(jìn)一步提高的材料的致密度。 李雙等在碳化硅陶瓷中添加碳短纖維，碳短纖維加入可以降低陶瓷中游離硅的含量，形成 β-SiC層，增強(qiáng)碳化硅陶瓷韌性，當(dāng)碳短纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30% 時，碳化硅陶瓷斷裂韌性達(dá)到 5.1 MPa·m1/2，較未添加碳短纖維的碳化硅陶瓷斷裂韌性相比提高了78%。 魏少華等人通過研究等溫鍛造技術(shù)發(fā)現(xiàn)，SiC顆粒呈流線均勻分布在鋁基體中，鍛件（弦向取樣）的性能得到明顯的提高，測得Rm=500 MPa、Rp0.2=330 MPa、A=7%、K1C=25.0 MPa·m1/2。 邢媛媛等通過優(yōu)化碳化硅粉體的粗細(xì)顆粒級配來增強(qiáng)碳化硅韌性，研究表明粗粉的引入可以抑制 S-SiC陶瓷中異常晶粒的長大，晶粒呈現(xiàn)細(xì)小的等軸狀，隨著粗粉含量增加，S-SiC陶瓷韌性呈現(xiàn)先增加后減少規(guī)律，在粗粉含量為65%時，S-SiC陶瓷韌性最大，較之未加粗粉時提高了17.1%，達(dá)到 (4.92±0.24)MPa·m1/2。 目前，碳化硼陶瓷韌性增強(qiáng)的方法主要是優(yōu)化材料組分如通過增加纖維 / 晶須增韌、第二相顆粒增韌（金屬相、過渡金屬硼化物、石墨烯、納米顆粒、稀土化合物等和改變陶瓷內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如控制陶瓷顯微結(jié)構(gòu)，減少晶粒的顆粒度，增加陶瓷的致密性，陶瓷形成層狀結(jié)構(gòu)。