新型陶瓷复合材料——防弹领域的后起之秀

白鹤扑落

随着现代国防、核能、航天技术、汽车工业、海洋工程的快速发展，已有的材料很难达到预期的要求，开发具备高性能材料的任务迫在眉睫。陶瓷材料作为当今世界上最具发展前景的高性能结构材料，因具有耐高温、低密度及膨胀系数低等优势被用于制造发动机衬里、火箭部件、工具的切削刃、特殊的透明和不透明的护罩等，在国防、航空航天、国家安全和能源等战略领域发挥了重要作用，成为尖端科学的重要组成部分。
图 1 陶瓷分子结构
传统陶瓷材料通常是指釉面瓷器、瓷砖和陶器等传统的陶瓷制品，这些制品通常以粘土和其他天然材料为主要成分经过烧制而成，具有良好的耐磨、耐高温和耐化学腐蚀等特性。那么作为装甲材料的陶瓷与传统陶瓷有何区别,又具有什么优势呢？ 一鸣惊人--陶瓷材料复合材料一战成名
作为原始社会新石器时代的标志，陶瓷技艺的发展经历了相当漫长的历史时期，直到第一次世界大战才被运用于军事领域，越南战争中美军成功将氧化铝陶瓷装甲用于直升机乘员的防护，验证了陶瓷作为装甲材料的可行性，陶瓷装甲由此进入了快速发展的时代。从第一次世界大战期间陶瓷装甲的使用到20世纪60年代第一套真正意义上的陶瓷装甲系统的出现，陶瓷装甲在相对较短的时间内取得了长足的进步。尽管与钢制装甲相比陶瓷装甲价格昂贵且保质期更短，但其出色的防护性能可以针对战斗中常用的穿甲步枪子弹提供高水平的保护，在相同的防护等级下，陶瓷装甲可以减轻50%的重量，更容易在野外穿着和行动。随着研究的不断深入，世界许多国家正在寻找通过将陶瓷基体与增强纤维结合以增加塑性、抗裂性和其他理想的机械性能的新方法，这就是所谓的陶瓷基复合材料（KMKM），旨在开发以陶瓷作为基体或增强材料的先进陶瓷复合材料。
性能优异——陶瓷材料防弹机理揭秘
在弹头撞击陶瓷装甲的瞬间，撞击导致弹头变钝，从而使其侵彻路径发生变化，陶瓷表面也会由着弹点向四周开裂，在此过程中达到吸能的目的，陶瓷装甲粉碎程度越高，吸能效果越好。高硬度陶瓷能够产生强大的反作用力,从而减缓弹头的速度,对于肩扛式火箭弹所使用的成型装药战斗部而言,陶瓷材料的易碎特性能够提供更好的防护效果，当成型装药战斗部爆炸产生的金属射流穿透陶瓷装甲时,陶瓷会立即碎裂成小块,形成的空腔会干扰金属射流，从而显著降低其穿甲能力，同时为了避免出现陶瓷破片向周围扩容移动出现防御真空的现象，在将陶瓷材料与其他材料一起组成的复合装甲系统中，陶瓷通常放置在迎弹面上，最好垂直于预期威胁打击的方向，并且由聚芳酰胺、聚乙烯或聚丙烯组成的聚合物纤维形成复合背衬，与陶瓷依靠碎裂吸能的原理不同，这类纤维装甲主要依靠拉伸变形吸收能量，利用自身弹性拉伸将弹头粘住，最外层的合金材料可以加以边界约束从而有效避免两者连接处产生明显的开裂和分层现象，提升复合装甲抗多发打击能力。

图 2 复合装甲结构示意
种类繁多——军工装备的明星材料
基于氧化镁铝（MgAI2O4）的透明材料，也被称为人造尖晶石，长期以来以其高强度的特性而闻名，仅0.25英寸厚的尖晶石就具有与2.5英寸防弹玻璃相同的防弹特性，虽然制造具有均匀透明度的大型零件比较困难，但采用低温真空烧结工艺可以制造出仅受压机尺寸限制的零件，该工艺与以前的制造工艺相比实现了氟化锂（LiF）烧结添加剂的均匀分布，该添加剂熔化并润滑尖晶石晶粒，使其在烧结过程中均匀分布，显著降低了LiF的消耗，并将光谱的可见光和中红外区域（0.4-5微米）的透光率提高到理论值的99%。尖晶石的潜在应用包括重量不到现有玻璃的一半的装甲玻璃、士兵的防护面具、下一代激光器的光学元件以及多光谱传感器眼镜等。
碳化硼（B4C）是一种非常坚硬的陶瓷材料，莫氏硬度在 9 到 10 之间，是已知最坚硬的合成物质之一，仅次于立方氮化硼（CBN）和金刚石。碳化硼是一种共价材料，用于坦克装甲、防弹背心、发动机破坏粉末以及众多工业应用。由碳化硼制成的创伤板，旨在吸收和破坏子弹的动能并减少其冲击力，通常用作防弹背心的复合材料，可以有效防止子弹穿透装甲。此外，它还具有良好的化学惰性和高中子吸收截面，是许多高性能应用的合适材料，例如碳键合耐火混合物中的抗氧化剂、反应堆控制棒和核应用中的中子吸收屏蔽。碳化硼陶瓷也可以作为一种磨料以粉末形式用于金属和陶瓷产品的研磨。尽管其400-500° C （750-930°F）的低氧化温度使其无法承受磨削硬化工具钢的热量，但由于其硬度高和低密度的特点已被用作军用装甲和高性能自行车中铝的增强剂，良好的耐磨性使其被用于喷砂喷嘴和泵密封件。此外碳化硼能够吸收中子而不形成长寿命放射性核素，因此可以作为核电站产生的中子辐射的吸收剂。
氮化硼作为陶瓷装甲材料领域的明星正在彻底改变技术格局并推动电子、航空航天、能源等领域的创新。氮化硼可与金刚石相媲美的导热性可以有效地散发大功率电子设备的热量，防止过热并确保最佳性能，而高击穿电压和低介电常数使其能够有效地绝缘高压组件，用于制造半导体和印刷电路板基板的绝缘层，确保电子设备的安全可靠运行。氮化硼纳米管、纳米片和纳米颗粒由于其在纳米尺度上的独特性能，如高纵横比、优异的导热性和电绝缘性能，在未来的应用中具有巨大的潜力。
陶瓷泡沫是由陶瓷制成的坚韧泡沫，制造技术包括将开孔聚合物泡沫浸渍在内部的陶瓷浆料中，然后在窑中经过烧制只留下陶瓷材料。泡沫陶瓷可以由多种陶瓷材料组成，常见的高温陶瓷有氧化铝、碳化硅、氧化锆等，与石棉和其他陶瓷纤维不同，泡沫陶瓷是完全无害的，也是绝缘材料中性能最好的，其高强度和硬度也使其可用作低应力应用的结构材料。陶瓷泡沫越来越多地用于不断发展的电子应用，包括电极、固体氧化物燃料电池和电池支架。通过将泵送冷却液与回路本身分离，泡沫陶瓷也可以用作电子设备的冷却组件。

图 3 高强度碳化硅泡沫陶瓷
随着陶瓷装甲技术的不断发展和成熟，各种陶瓷材料将为作战平台提供更全面的防护，并对战场态势产生积极的影响，而装甲系统轻量化、机动化发展需求的不断演进也让陶瓷装甲的优势更加凸显。