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人體裝甲用碳化硼防彈陶瓷有哪些挑戰(zhàn)和發(fā)展方向？

信息來源：本站 | 發(fā)布日期： 2022-09-09 08:11:40 | 瀏覽量：719511

摘要：

人體防護裝備主要包括防彈衣（防彈插板）、防彈頭盔和防彈盾牌等，不斷提高其輕量化防護能力，是單兵裝備發(fā)展的永恒主題。其中，防彈背心和防彈頭盔由抗彈纖維復合材料制備而成，主要用于防御侵徹力較低的手槍彈和破片。面對高殺傷力的步槍彈等威脅時，需要裝備由抗彈陶瓷…

人體防護裝備主要包括防彈衣（防彈插板）、防彈頭盔和防彈盾牌等，不斷提高其輕量化防護能力，是單兵裝備發(fā)展的永恒主題。其中，防彈背心和防彈頭盔由抗彈纖維復合材料制備而成，主要用于防御侵徹力較低的手槍彈和破片。面對高殺傷力的步槍彈等威脅時，需要裝備由抗彈陶瓷/纖維復合材料為基本防護結構的防彈插板和防彈盾牌，盡可能滿足高強度、高耐磨、高硬度和低密度，即“三高一低”的要求。
目前已在人體防護裝備上獲得推廣應用的幾種抗彈陶瓷對比之下，碳化硼（B4C）陶瓷硬度最高、密度最低，性能上是最理想的裝甲陶瓷材料。隨著人體防護裝備對輕量化、高防護應用需求的日益迫切和B4C陶瓷產業(yè)化的順利推廣，B4C已作為制備防彈衣插板的主流陶瓷材料之一獲得應用。作為防彈衣的加強防護組件，
現役防彈插板由B4C陶瓷板和超高分子量聚乙烯纖維復合材料板復合而成，其基本防護原理為：利用B4C抗彈陶瓷鈍化、磨蝕彈丸，然后利用纖維復合材料吸收殘余沖擊動能。根據應用環(huán)境和防護需求的不同，B4C陶瓷插板分為多曲面整體式陶瓷板和單曲面小塊陶瓷拼接板兩種。
常用防彈陶瓷及其基本性能
B4C防彈陶瓷的燒結工藝
致密的微觀結構是陶瓷發(fā)揮優(yōu)異力學性能和抗彈性能的根本保證。然而，由于硼原子和碳原子之間的電負性差異很小，會形成很強的共價鍵，造成B4C陶瓷中共價鍵的比例高達94%，遠高于Al2O3陶瓷中共價鍵的比例33%和SiC陶瓷中共價鍵的比例88%，加之B4C陶瓷高熔點、高蒸汽壓、低自擴散系數的特性，嚴重阻礙其致密化進程，使得B4C的燒結異常困難，以下將簡單介紹幾種燒結工藝的優(yōu)缺點。
幾種主要B4C陶瓷燒結工藝特點
除以上工藝外，超高壓燒結工藝、等離子束熔融工藝等燒結方法也能得到性能優(yōu)異的陶瓷制品，但由于工藝復雜、設備和技術要求高等原因，目前未實現工業(yè)化生產。
B4C防彈陶瓷的性能改善方法
1.采用合適的燒結助劑
B4C陶瓷燒結助劑的作用機理可概括為：
（1）除去B4C粉體顆粒表面的氧化層，從而提高粉體表面能，并抑制晶粒的異常生長；
（2）引入3價離子來取代碳，從而導致電子缺位和空隙，以及提高點缺陷或位錯密度來提高晶界和體積擴散的活化作用；
（3）加入熔點相對較低，且能與B4C形成較好潤濕性的添加劑，從而通過燒結過程中形成的液相來提供物質遷移的快速通道。
B4C陶瓷常用燒結助劑
近年來，為協同提高陶瓷強度、韌性、硬度等多種力學性能參數，人們對復合燒結助劑的應用研究越來越廣泛，碳+金屬氧化物、碳+金屬、金屬+金屬、硼+碳化物、硼+硼化物等多種復合助劑體系研究都取得了良好的應用效果?？梢灶A見，對陶瓷成分的精細設計、混料工藝的創(chuàng)新途徑和微觀結構的精確調控研究將成為陶瓷性能進一步提升的重要發(fā)展方向。
2.B4C防彈陶瓷增韌技術
盡管B4C陶瓷具備高硬度、高強度和低密度等優(yōu)點，但是其較低的韌性嚴重地影響了其抗多發(fā)彈性能。通過對B4C陶瓷進行增韌可以延長彈丸撞擊陶瓷材料的斷裂時間，從而提高其斷裂耗能和抗彈阻力，使彈丸被陶瓷磨蝕和犁削程度增強。
陶瓷材料韌性差是由于材料在斷裂時主裂紋以平直方式延伸，裂紋擴展路徑短，斷裂產生的表面能和裂紋擴展功也小。因此，加大裂紋路徑，提高裂紋擴展能，可以實現陶瓷材料的增韌。B4C的強韌化可以通過控制材料顯微結構和使裂紋釘扎、偏轉、彎曲及第二相橋聯、應力誘導微裂紋、相變等多種方式實現。
（1）晶粒細化增韌
通過控制晶粒形狀、晶粒尺寸、氣孔率、氣孔尺寸與分布及晶界特性等顯微結構，能顯著提高材料的斷裂性能。晶粒越細小、材料晶界越多、晶體缺陷密度越低，陶瓷斷裂時裂紋沿著晶界擴展的路徑就越長，裂紋轉向次數就越多，從而阻滯裂紋的擴展，起到增韌效果。
（2）第二相復合增韌
第二相增韌可以分為顆粒增韌和纖維（晶須）補強增韌。
顆粒的增韌機理主要有微裂紋增韌、裂紋偏轉增韌以及促使斷裂方式由穿晶斷裂向沿晶斷裂轉變。通過金屬以及金屬間化合物顆粒、過渡金屬碳化物顆粒、碳以及碳化物顆粒、硼化物顆粒等均能在不同程度上提高B4C陶瓷的韌性。當增韌粒子為納米粒子時，彌散在基體晶內和晶間的納米顆?？梢云鸬搅己玫膹婍g化效果。
纖維（晶須）補強增韌機理主要是裂紋偏轉增韌、橋聯增韌、拔出效應。通過纖維對陶瓷材料進行增韌補強時，需特別注意從纖維與基體的化學相容性和熱物理相容性方面，進行界面相容性設計。SiC、C、Si3N4、B4C、Al2O3等纖維被廣泛運用以提高材料的韌性和強度，相關的連續(xù)纖維増強陶瓷已經得到實際應用。
（3）層狀結構
近年來，對于裝甲陶瓷等脆性材料的增韌補強，除了傳統的強韌化技術途徑，層狀結構或仿生層狀結構材料同樣受到廣泛關注。
仿生層狀結構
層狀復合陶瓷是在脆性的陶瓷層間加入不同材質的較軟或較韌的材料層通常稱之為軟層、夾層或界面層制成，這種結構的材料在應力場中是一種能量耗散結構，能克服陶瓷突發(fā)性斷裂的致命缺點，因而能夠使陶瓷材料的韌性大大提高。
總結
盡管B4C陶瓷以優(yōu)異的“三高一低”特性表現出成為人體防護裝備用主流防彈陶瓷材料的趨勢，但其成本高和韌性差的缺點也一直制約其產業(yè)化推廣應用。另一方面，由于非氧化物陶瓷表面活性較差，與同屬惰性材料的超高分子量聚乙烯纖維復合后，制備的防彈插板界面粘接性能不佳，中彈后陶瓷/纖維界面易造成大幅脫粘，纖維復合材料板無法進一步傳遞沖擊載荷，造成B4C防彈插板抗多發(fā)彈能力不足，相同厚度下其抗彈性能甚至不及Al2O3防彈插板。因此，除了聚焦于B4C陶瓷力學性能和韌性的提高，對提高其表面活性的研究也應予以重視，針對人體防護裝備對高性能、輕量化、低成本化防彈陶瓷的應用需求繼續(xù)深入探索。

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