防弹陶瓷材料的研究现状及发展趋势.docxVIP

导读

随着军事科技的进步，战场人员和装备对自身的防护等级要求越来越高，防弹材料应运而生，主要应用在防弹衣、车辆装甲、航空等领域。陶瓷防弹材料因具备强度高、硬度大、高弹性模量、稳定性好、轻质等特点成为防弹材料领域研究的热点。

防弹材料从诞生到现在历经了以锰钢、钨钢、铝合金、钛合金等硬质金属为主的防弹材料，到以尼龙纤维、芳纶纤维、UHMWP纤维、凯夫拉纤维等高分子防弹材料，再到以金属材料与陶瓷材料复合体系、陶瓷材料与高分子材料复合体系，以及包括有机材料和无机材料相结合的复合体系防弹材料三代的发展。

以金属和陶瓷为主的硬质防弹材料，其防弹原理主要是利用具备强度高、硬度大的特点阻止弹体侵入或者弹开炸裂后的弹体碎片；以高分子材料为主的软体防弹材料，其防弹机理主要是纤维在阻止弹体碎片浸入时产生了纤维的拉伸和剪切，并进一步引起纤维断裂，因纤维具有高强度的特点，在此过程中，弹体的冲击能得到很好的吸收与消释。

在以上三种防弹材料中，金属防弹材料具有强度高、韧性强、弹性模量大等优点，但密度大或价格高等缺点限制了装备的机动性和灵活性，从而影响其推广；高分子防弹材料具有密度小、强度高、耐高温、腐蚀、绝热、绝缘等优点，但成型工艺复杂、造价较高、硬度低等缺点同样也限制了其使用；陶瓷材料具有高强高硬的特点，再加之其抗磨损和腐蚀性能强、热膨胀系数小、制造工艺简单等特性，已成为近些年防弹材料的研究热点，相关成果也在军事领域得到广泛应用。

01

三种典型的防弹陶瓷材料

随着防弹陶瓷研究深入，越来越多的防弹陶瓷材料被发现，目前已在防护工程应用的有B4C、SiC、Al2O3、Si3N4、AlN、TiB4等，其中Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、B4C陶瓷作为单相陶瓷作为防弹装甲应用最为广泛。

1

氧化铝陶瓷

氧化铝（aluminiumoxide）又称矾土，分子式Al2O3，通过离子键连接在一起，常见有α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3三种晶胞体，其中，β-Al2O3热稳定性差，高温时（1300℃以上）主要以α-Al2O3存在，α-Al2O3具有很高的熔点（2054℃）、沸点（2980℃）和硬度（莫氏硬度仅次于金刚石，达到9级），在高温条件下（1500℃）仍然具有较高的强度和硬度，氧化铝陶瓷还具有良好的化学稳定性、导热性、耐磨性、抗氧化。其主要缺点是脆性高，韧性差，限制使用，由于其价优，目前主要使用在防护要求等级较低的装备上。在烧结成型工艺上有热压、热等静压法。如专利CN202110275683.1中提到氧化铝陶瓷采用低温慢烧工艺制备出的防弹材料密度为3.9g/cm3、抗弯强度358MPa、维氏硬度16.9GPa，其不足之处在于采用低温慢烧工艺耗时过长，对窑具提出更高的要求以及加重了能耗；又如专利CN201810749927.3中采用高温固相烧结制备出了一种高韧性氧化铝基防弹陶瓷，制备出的陶瓷具有强度高、硬度高、韧性高和体积密度较低的特点，但烧成温度达1800℃且保温时间长，其不足在于烧成温度过高，耗费了能源，增加了成本。

2

碳化硅陶瓷

碳化硅（siliconcarbide）分子式SiC，又名金刚砂，是一种由碳-硅共价键组合形成的化合物，目前常见的具有高温稳定性，属于六方晶系的α-SiC和具有低温稳定性，属于立方晶系的β-SiC两种。碳化硅具有高熔点（2830℃）、高模量、高硬度（莫氏硬度为9.5级）、高强度、优异的化学稳定性、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性、耐腐蚀性能好等优点，但是其韧性低，在弹体撞击时容易发生破裂，限制了其使用。烧结碳化硅陶瓷的技术较多，但是不同的烧结方式对陶瓷内部晶粒的形状、陶瓷致密性、材料强度和韧性都有较明显的不同影响。如中国建筑材料研究院研发了一种碳化硅陶瓷厚防弹板，该陶瓷的强度为350MPa，维氏硬度为24GPa，其不足之处在于制备工艺复杂，且使用了大量的有毒性溶剂，不能批量化生产。

3

碳化硼陶瓷

碳化硼（Boroncarbide）俗称黑钻石，分子式B4C，碳化硼具有高硬度，其硬度仅次于金刚石，且具有高温高硬度特性，在温度超过1000℃时，其硬度是最大的，规避了钢材受热软化的缺陷。B4C还具有高熔点（2450℃）、高模量（400GPa）、抗氧化性、耐腐蚀性、耐磨性（优于刚玉）、低密度（2.52g/cm3）等优点。但是B4C的断裂韧性（小于2.2MPa·m1/2）很低，限制了其使用。

B4C陶瓷受制备条件影响较大，不同的烧结方法在烧结温度、烧成时间、烧成控制、烧成后陶瓷的性能上有各自的特点，没有绝对优劣之分。如专利CN114621012B中提出一种碳化硼防弹材料的制备方法，以碳化硅、碳化钨等原料添加纤维增强剂，制备的防弹陶瓷材料的抗弯强度为478MPa、抗压强度为2926MPa、