碳化硼陶瓷防護裝甲

2022-01-30 先進陶瓷展
碳化硼陶瓷是以B4C為主晶相的陶瓷。化學式為B4C，六方晶系，暗黑色。熔點2450℃，理論密度2.52g/cm3，維氏硬度49.5GPa，在自然界裡面僅次於金剛石和立方氮化硼，它還有較大的熱中子俘獲截面。可用來加工寶石、陶瓷、鑄模、車刀和軸承等，也可用作噴砂嘴、原子反應堆的中子吸收劑，特別可以用作陶瓷防護裝甲材料。相對於其他材質的防護裝甲，陶瓷裝甲具有硬度高、質量輕的優點，其對彈頭和彈藥破片的防禦能力都很強，已成為一種廣泛應用於防彈衣、車輛和飛機等裝備的防護裝甲。現在大多數陶瓷裝甲與襯層之間用低硬度、低密度的黏性聚合物黏接而成。當強大的彈藥衝擊波傳播到陶瓷與聚合物黏合層的分界面時，衝擊波產生強烈的拉抻作用，破壞陶瓷層，同時強烈的剪切作用破壞聚合物黏合層。在拉抻和剪切作用下，陶瓷層與襯層分離。與此同時，彈頭和彈藥破片受壓而碎裂，形成圓錐形的碎裂區。正是由於陶瓷具有硬度高的優點，才會將彈頭和彈藥破片的衝擊波能量分解到一個較大的防護面積；從而有效阻止彈頭和彈藥破片，保護人員的重要部位。裝甲材料總的發展趨勢是強韌化、輕量化、多功能和高效率。陶瓷材料是防彈材料中重要的一支，它具有高的硬度和耐磨性，高的壓縮強度和高應力時的優良彈道性能。在子彈的衝擊下（速度＞700～800m/s），陶瓷正面被擊碎而剩餘的能量則被反面軟增強材料（尼龍布層等）所吸收，反面材料必須能支持住子彈衝擊後陶瓷材料的碎片和子彈本身，如圖1。武裝防彈陶瓷要求的性能較多，例如：密度和氣孔率、硬度、斷裂韌性、楊氏模量、聲速、機械強度等，任何一個性能都不能與整體防彈性能有直接和決定性的關係，因而斷裂機理十分複雜，裂紋形成是由許多因素引起的，而且發生的時間十分短暫。防彈陶瓷的氣孔率應儘量低，以提高硬度和楊氏模量，對Al2O3瓷來說，其氣孔率應接近於零，而吸水率不超過0.02%。陶瓷的硬度要求很高，應高於飛行彈頭的硬度，對Al2O3陶瓷來說，硬度Hv應超過12.2～12.5GPa。高的聲速，一般通過聲音在陶瓷中傳播速度來表徵陶瓷衝擊面上消耗能量的能力，高的聲速表示陶瓷有良好的緻密化和低的封閉氣孔。根據實際經驗，Al2O3瓷的聲速應大於10000m/s，最好是10500～11500m/s。陶瓷防護裝甲一般有兩種防彈類型，主要為單片陶瓷結構和複合陶瓷結構。單片結構陶瓷包括氧化物陶瓷(主要是Al2O3)和非氧化物陶瓷(例如：B4C、SiC、Si3N4、AlN和TiB2等)，以及二元系統(例如：B4C-TiB2基複合陶瓷)。一般來說，非氧化物陶瓷具有更高的物理性能和相對低的密度（除TiB2基陶瓷外），作為防彈比Al2O3更有利。然而這些材料製造方法多用價格較貴的熱壓，不易產業化。但熱壓可提高防彈陶瓷的機械性能，這一點也是明顯的。複合陶瓷結構具有高的防彈性能，其具有更高的斷裂韌性。在射彈衝擊之後，與單片陶瓷相比，複合陶瓷結構具有較好的完整性。幾種複合陶瓷如下：Al2O3/SiCw、Al2O3/SiCf、Al2O3/Cf、TiB2/B4Cp、TiB2/SiCp以及金屬陶瓷，這些複合陶瓷需要特別的工藝和設備，因而價格也比較貴。相對於其他陶瓷材料體系，B4C陶瓷具有低密度（2.52g/cm3）、超高的硬度（維氏硬度36GPa）的優越特性，目前主要用於某些對防護性能有更高要求的特殊場合，如美軍的V22「魚鷹」旋轉翼飛機的機組人員座椅。另外，英軍使用的增強型人體護甲（EBA）也採用了B4C陶瓷，其可以防禦12.7mm鋼芯穿甲彈。EBA裡面還有一層「鈍傷」防護層，在陶瓷受到衝擊但沒有被穿透、襯層發生變形時保護人體免受鈍傷，從而保護人體重要器官不受傷害。英國BAE系統公司先進陶瓷分公司就生產B4C陶瓷，並且已經用作美軍「攔截者」防彈衣的防護插板。目前中國武直-10開始安裝了B4C陶瓷防彈板。該陶瓷板應該與先前巴陸軍測試的Z-10P上的陶瓷板相同，位於飛行員雙肩處，型號為ZJYP1-9110-200，據研判可抗12.7mm彈的衝擊，平時不用時可以放下。防彈陶瓷板的曝光證明武直-10的防護能力比原先估計的要更強大，相信武直-10K也應該有同樣的配置。根據陶瓷學的基本原理我們知道，陶瓷製品生產中所使用的粉體原料粒徑越小、分布越窄，越有利於降低陶瓷的燒結溫度、縮短燒結所需時間，從而得到晶粒細小的陶瓷製品，這就能獲得優異的力學性能及其他綜合性能。所以，對於碳化硼製品生產廠家來說，選擇碳化硼超細粉體進行製品生產，能從當前主要的熱壓燒結工藝改為無壓燒結工藝，不但能降低生產成本，還能降低廢品率並提高製品性能，有利於廠家自己技術與產品升級，提高產品在市場上的競爭能力。

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