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防彈陶瓷材料的研究現狀及發展趨勢

防彈陶瓷材料的研究現狀及發展趨勢

編輯:轉自:材料科學與工程技術 發布時間:2024-04-30

摘要

隨著軍事科技的進步,戰場人員和裝備對自身的防護等級要求越來越高,防彈材料應運而生。主要應用在防彈衣、車輛裝甲、航空等領域。陶瓷防彈材料因具備強度高、硬度大、高彈性模量、穩定性好、輕質等特點成為防彈材料領域研究的熱點。對三種常見的防彈陶瓷氧化鋁、碳化硅、碳化硼進行概述,指出單一型陶瓷材料應用在防彈陶瓷存在的不足,闡明了可以通過增加纖維/晶須、添加其他顆?;蚋淖兲沾芍圃旃に嚮蛐纬蓮秃舷嗟确绞教岣邆鹘y單一型防彈陶瓷的性能,最后就防彈復合陶瓷材料的研究現狀以及未來發展方向進行了分析和展望。


現代戰爭中火力越來越強大,要想減少己方的損失,確保人員和裝備在戰場上盡可能地生存下來,防彈材料的研究與應用顯得尤為重要。防彈材料從誕生到現在歷經了以錳鋼、鎢鋼、鋁合金、鈦合金等硬質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合體系、陶瓷材料與高分子材料復合體系,以及包括有機材料和無機材料相結合的復合體系防彈材料3代的發展。


以金屬和陶瓷為主的硬質防彈材料其防彈原理主要是利用其具備強度高、硬度大的特點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理主要是纖維在阻止彈體碎片浸入時產生了纖維的拉伸和剪切,并進一步引起纖維斷裂,因纖維具有高強度的特點,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度高、韌性強、彈性模量大等優點,但密度大或價格高等缺點限制了裝備的機動性和靈活性,從而影響其推廣,高分子防彈材料具有密度小、強度高、耐高溫、腐蝕、絕熱、絕緣等優點,但成型工藝復雜、造價較高、硬度低等缺點同樣也限制了其使用,陶瓷材料具有高強高硬的特點,再加之其抗磨損和腐蝕性能強、熱膨脹系數小、制造工藝簡單等特性,已成為近些年防彈材料的研究熱點,相關成果也在軍事領域得到廣泛應用。


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以及陶瓷復合材料研究現狀等方面,綜述陶瓷材料在防彈方面的研究現狀及發展趨勢。




01

三種典型的防彈陶瓷材料


隨著防彈陶瓷研究深入,越來越多的防彈陶瓷材料被發現,目前已在防護工程應用的有B4C、SiC、Al2O3、Si3N4、AlN、TiB4等, 其中Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、B4C陶瓷作為單相陶瓷作為防彈裝甲應用最廣,下面就這三種陶瓷分別做簡要的介紹。


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(α-Al2O3熔點2054℃)、沸點(α-Al2O3 沸點:2980 ℃)和硬度(莫氏硬度僅次于金剛石,達到9級),在高溫條件下(1500 ℃)仍然具有較高的強度和硬度,氧化鋁陶瓷還具有良好的化學穩定性、導熱性、耐磨性、抗氧化。其主要缺點是脆性高,韌性差,限制使用,由于其價優,目前主要使用在防護要求等級較低的裝備上。

在燒結成型工藝上有熱壓、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,制備出陶瓷具有強度高、硬度高、韌性高和體積密度較低的特點,但燒成溫度達1800 ℃且保溫時間長,其不足在于燒成溫度過高,耗費了能源,增加了成本。


1.2 碳化硅陶瓷

碳化硅(silicon carbide)分子式SiC,又名金剛砂,是一種由碳- 硅共價鍵組合形成的化合物,目前常見的具有高溫穩定性,屬于六方晶系的 α-SiC 和具有低溫穩定性,屬于立方晶系的β-SiC兩種。碳化硅具有高熔點(2830℃)、高模量、高硬度(莫氏硬度為9.5級)、高強度、優異的化學穩定性、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性、耐腐蝕性能好等優點 , 但是其韌性低,在彈體撞擊時容易發生破裂,限制了其使用。燒結碳化硅陶瓷技術較多,但是不同的燒結方式對陶瓷內部晶粒的形狀,陶瓷致密性、材料強度和韌性都有較明顯不同。如中國建筑材料研究院研發了一種碳化硅陶瓷厚防彈板,該陶瓷的強度為350Mpa,維氏硬度為24GPa,其不足之處在于制備工藝復雜,且使用了大量的有毒性溶劑,不能批量化生產。
1.3 碳化硼陶瓷
碳化硼(Boron carbide)俗稱黑鉆石,分子式B4C,碳化硼具有高硬度,其硬度僅次于金剛石,且具有高溫高硬度特性,B4C 在溫度超過 1000 ℃時,其硬度是最大的,規避了鋼材受熱軟化的缺陷。B4C還具有高熔點(2450 ℃)、高模量(400GPa)、抗氧化性、耐腐蝕性、耐磨性(優于剛玉)、低密度(2.52 g/cm3)等優點。
但是B4C的斷裂韌性(小于2.2 MPa·m1/2)很低,限制其使用。B4C陶瓷受制備條件影響較大,不同的燒結方法在燒結溫度、燒成時間、燒成控制、燒成后陶瓷的性能上有各自的特點,沒有絕對優劣之分。如專利CN 114621012B中提出一種碳化硼防彈材料的制備方法,以碳化硅、碳化鎢等原料,添加纖維增強劑,制備的防彈陶瓷材料性能為抗彎強度為478MPa、抗壓強度為2926MPa、斷裂韌性為 6.52MPa·m1/2。添加金屬粉末后強度獲得了一定的提高,但斷裂韌性惡化。

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度、高硬度、低密度等特征,但是三者又存在一些區別,三者性能如表1,從表1中可以看出三者當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。

圖片

02

防彈陶瓷材料性能改善研究現狀


防彈陶瓷雖然有較多優點,但是也存在明顯的不足—韌性太低、致密性較差,主要原因是材料之間的化學鍵以共價鍵為主,在高溫燒結下,內部致密性差,纖維不均勻,缺陷多等。為了提高防彈陶瓷的韌性,改善致密性,國內外眾多的科研工作者在這一問題上進行了大量的研究,現就三種常見防彈陶瓷在增韌方向的研究進行綜述。

2.1 氧化鋁陶瓷改善致密性、增強韌性的研究

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,改善陶瓷內部微觀結構如通過陶瓷成型技術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,陶瓷的抗彎強度和韌性達到最大值,體積密度也達到了最大值,擊穿強度提高了36.5%。

史國普等人將莫來石纖維加入氧化鋁陶瓷,當添加量達到15%時,彎曲強度和韌性提高最多,提高分別達到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”,延長了陶瓷微裂紋、裂紋擴展的路徑。黃國威等通過采用兩步法代替傳統的一步法燒結陶瓷,發現在1400℃保溫3h,陶瓷的致密性最高,氧化鋁的抗彎強度達到 (348±7.15)MPa。代金山等通過NH4F改變高純氧化鋁的微觀結構,當NH4F 的質量分數達到4%時(此時陶瓷晶體由板狀形貌向多面體形貌轉變),陶瓷的密度達到最大值3.71g/cm3,進一步提高的材料的致密度。

?2.2 碳化硅陶瓷韌性增強、致密性改善研究
目前,碳化硅陶瓷韌性增強的方法主要是改變陶瓷材料組分如通過增加纖維/晶須增韌、第二相顆粒增韌和改變陶瓷成型工藝,改變內部陶瓷內部微結構實現。


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,增強碳化硅陶瓷韌性,當碳短纖維體積分數達到30% 時,碳化硅陶瓷斷裂韌性達到 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發現,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。


邢媛媛等通過優化碳化硅粉體的粗細顆粒級配來增強碳化硅韌性,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,晶粒呈現細小的等軸狀,隨著粗粉含量增加,S-SiC陶瓷韌性呈現先增加后減少規律,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%,達到 (4.92±0.24)MPa·m1/2。


2.3 碳化硼陶瓷韌性增強、致密性改善研究

目前,碳化硼陶瓷韌性增強的方法主要是優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部晶體結構實現,如控制陶瓷顯微結構,減少晶粒的顆粒度,增加陶瓷的致密性,陶瓷形成層狀結構。

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