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抗弹陶瓷在复合装甲中的应用

作者：任彦

来源：《新材料产业》2016年第1期

文/任彦

中国兵器工业北方材料科学与工程研究院

一、引言

当今世界的主旋律是和平与发展，这是各国人民共同追求的目标。然而，在近几十年来，

各种各样的局部战争从来就没有停止过，特别是近年来极端恐怖组织的出现和破坏活动的加剧，

已经使世界和平面临巨大威胁，从而使打击恐怖活动成为当务之急。在如此的国际大环境下，

世界各国纷纷投入巨资进行各种高性能武器装备的研发和制造，一些杀伤力巨大和对人类生存

环境具有高破坏力的武器装备不断投入使用。以主战坦克为例，其钨合金高速动能穿甲弹的初

速高达1700～1800m/s，可以在1000m的距离上击穿800mm的均质装甲钢板；而现在各国

第3代主战坦克装备的精密装药破甲弹的破甲威力可穿透1200～1500mm的均质装甲钢板，

因此，通过增加装甲钢的厚度来抵御对于坦克和装甲车辆的攻击根本不可能实现，这一状况促

进了复合装甲的加速研制和广泛应用。目前，先进的复合装甲在垂直厚度200～250mm大倾角

安装时，就可有效地抵御穿甲弹和破甲弹对坦克的首上和炮塔的侵彻，而其中重要的材料之一

就是高性能的抗弹陶瓷材料[1]。

从20世纪60年代，韦尔金斯发现陶瓷材料具有很好的弹道防护性能以来，美国的科学家

将氧化铝（Al2O3）陶瓷块粘到铝背板上制备成防7.62mm穿甲弹侵彻的复合装甲。之后，美

国研制出了硬度略低于金刚石的低密度碳化硼（B4C）用于飞机的抗弹陶瓷装甲。到20世纪70

年代后，美国等西方国家已将抗弹陶瓷复合装甲广泛地应用在运兵车、坦克、军机等军事装备

上[2]。由于抗弹陶瓷材料，具有高强度、高硬度、低密度、耐腐蚀、高耐磨等特点，可极大地

提高武器装备防穿甲、防破甲的防护性能，从而成为复合装甲系统不可或缺的重要材料。此外，

抗弹陶瓷材料还可用于飞机、舰船、车辆等的抗弹防护防，以及各种防弹衣和防弹背心，以提

高装备和人体的防护性能，因此抗弹陶瓷材料的应用将会越来越广泛。目前，已经实现了工程

化应用的抗弹陶瓷主要有Al2O3、氧化锆、碳化硅、碳化硼、氮化铝、氮化硅、硼化钛等。大

量研究表明，影响陶瓷材料在复合装甲上应用的主要因素是陶瓷材料本身具有的易脆性，近年

来通过陶瓷复合化和改进复合装甲的结构设计，在克服陶瓷脆性的影响方面已经取得了很大的

进展。总之，进一步提高抗弹陶瓷的硬度、强度、韧性和使用可靠性，并大幅度降低抗弹陶瓷

的价格，才能更好地扩大抗弹陶瓷的应用［3］。

二、典型抗弹陶瓷的特性及其制备方法

近几十年来，科研人员对于各种陶瓷材料进行了大量的防穿甲及防破甲性能的试验研究，

表明硬度高、强度高、韧性好的陶瓷材料均有良好的抗弹性能，但由于受到材料的制备技术、

价格和原材料来源等因素的影响，实际在复合装甲中大量应用的陶瓷主要是氧化铝和碳化硅2

种陶瓷。

1.氧化铝陶瓷

A12O3是一种离子键型的化合物，其熔点为2050℃，其单晶体A12O3的硬度高达莫氏硬

度的9级，略低于金刚石的硬度，且在1500℃时仍然具有较高的硬度和强度，并具有优异的

抗氧化性和化学惰性，而其最大的缺点是脆性特别高。

氧化铝陶瓷是以A12O3为主要晶相的一种陶瓷材料，其氧化铝的含量一般在75％～99％之

间，刚玉瓷的氧化铝含量在90％以上。工业应用的A12O3是由铝矾土(A12O3·3H2O)和硬水

铝石制备的，对于纯度要求高的A12O3，一般用化学方法来制备，而用上述原料加碳在电弧炉

中加热到2000～2400℃熔融而制得的氧化铝则称为人造刚玉。工业上粉末法制备纯A12O3

陶瓷，一般采用无压烧结，其烧结温度在1700℃左右或更高。此外，为提高A12O3的综合性

能还采用热压、热等静压等特殊烧结方法制备，但这会大幅度提高氧化铝陶瓷的制造成本。为

降低氧化铝陶瓷烧结温度，目前主要是采取加入一些添加剂的方法，二氧化钛（TiO2）、氧

化铒（Er2O3）、氧化钇（Y2O3）等添加剂可与氧化铝在高温时形成固溶体；高岭土、氧化镁

（MgO）、氧化钙（CaO）、氧化锶（SrO）、氧化钡（BaO）和二氧化硅（SiO2）等添加剂

在高温时形成少量液相，使烧结在少量液相参与下完成[4]。

近年来，为了大幅度提高氧化铝陶瓷的抗弹性能，还开发出了复相氧化铝陶瓷，即在氧化

铝中加入第二相，以期对氧化铝陶瓷进行补强增硬。