抗弹陶瓷材料及其在复合装甲中的应用

 

  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已经成为了当务之急。在如此的国际大环境下,世界各国纷纷投入巨大资金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1 700~1 800m/s,可以在1 000m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1 200~1 500mm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。

 

  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氧化铝、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。

 

  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

 

  氧化铝(A12O3)是一种离子键型的化合物,其熔点为2 050℃,其单晶体A12O3的硬度高达莫氏硬度的九级,略低于金刚石的硬度,且在1 500℃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2 000~2 400℃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1 700℃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。

 

  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。复相陶瓷的开发,对于改进A12O3和氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、SiO2、二氧化锆(ZrO2)等工程陶瓷也具有增强、增硬、增韧等的良好效果。由于加入的添加剂可以是陶瓷颗粒、晶须或金属材料,而且大多添加物质可以保持其原有材料的性能,从而有效地提高了氧化铝的综合抗弹性能。特别是在烧结过程中原位生长形成的补强相,虽然它们与基体相也有相界面,但它们仍可保持其固有的力学性能。目前,在陶瓷中加入的补强相主要是碳化硅晶须(SiCw)、SiC、SiC短纤维、纯钛(TiCP)、二氧化锆颗粒〔ZrO2P(ZTA)〕等。实验表明,在氧化铝陶瓷中加入第二相(SiCp)制备的高性能复相氧化铝,经实弹打靶测试,其抗弹性能比单相氧化铝陶瓷有大幅度的提高。

 

  2.碳化硅陶瓷

 

  碳化硅(SiC)是典型的共价键化合物,其硬度介于金刚石和刚玉之间,而力学性能高于刚玉。碳化硅的晶体结构有六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC两种,β-SiC在温度达到2 100℃以上时可转变成为α-SiC。碳化硅陶瓷的化学稳定性好、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能高,除大量用作磨料外,作为结构材料也有广泛的用途。由于碳化硅陶瓷具有很高的抗弯强度、抗氧化性、抗磨损性和较低的摩擦系数,而且其高温强度、高温抗蠕变等性能等均优于其他陶瓷材料。因此,碳化硅陶瓷的弹道性能不仅优于氧化铝陶瓷,而且其抗弹性能大约是碳化硼陶瓷的70%~80%,加之碳化硅的价格低廉,因而成为抗弹陶瓷的首选材料。碳化硅陶瓷的最大缺点是断裂韧性较差,且脆性较大,为此近年来已经研制成功了多种以SiC为基的复相碳化硅陶瓷,如通过加入纤维(或晶须)进行增强,加入异相颗粒弥散强化和制成梯度功能陶瓷等方法,都可有效地提高碳化硅陶瓷的韧性和强度。

 

  由于碳化硅是非常稳定的化合物,而且因其原子扩散系数较低,用普通的烧结方法很难达到材料的致密化,因而通常需要添加助剂降低其表面能和增加表面积,或者是采用特殊的烧结技术。目前,已经开发出的高性能碳化硅的烧结工艺有:重结晶碳化硅陶瓷、反应烧结碳化硅、热压烧结碳化硅、高温热等静压烧结碳化硅及化学气相沉积碳化硅等。

 

  3.影响抗弹陶瓷性能的因素

 

  (1) 陶瓷的力学性能

 

  据资料报道,抗弹陶瓷的力学性能范围应是:弹性模量E≤280 GN/m2、硬度HV≥2 000,密度ρ≤3 000 kg/m3,陶瓷高的弹性模量可使弹头在撞击时变形和压缩,而高硬度保证了弹头侵彻陶瓷板时弹头被犁削和粉碎,并吸收其能量[7,8]。数值仿真表明,陶瓷的剪切模量、弹性极限、拉伸强度、抗压强度以及抗损伤能力这5个参数中,氧化铝陶瓷的抗穿甲防护系数对剪切模量最敏感,提高陶瓷剪切模量有望成为提高氧化铝基抗弹陶瓷防护性能的最有效途径。

 

  (2)陶瓷的尺寸效应

 

  由于小块陶瓷拼接的面板接缝多成为抗弹的薄弱处,而大尺寸的单块陶瓷板中弹后的破损面积大,降低了复合板的刚度,影响抗多次打击的能力。研究表明,为了发挥陶瓷复合靶板抗弹性能,陶瓷块的最小尺寸应该大于中弹后形成完整破碎锥的尺寸。

 

  (3) 陶瓷的形状效应

 

  用于复合装甲的抗弹陶瓷可以是圆柱形、正方形和正六边形,其中圆柱形陶瓷的抗弹能力最好,但存在较大的空隙;正方形陶瓷块有较多抗弹性能差的直通缝,影响其抗弹性能;正六边形陶瓷综合性能较好,但要求陶瓷块的形状尺寸要精确。

 

  (4) 陶瓷的约束方法

 

  抗弹陶瓷在受到弹丸侵彻时,只有在保持其体积完整性和不扩容性的状态下,才能充分发挥陶瓷高抗弹性能所具有的各种耗能机制。研究表明,在良好的约束条件下,陶瓷的抗侵彻性能大大优于没有约束的陶瓷材料。

 

  4.提高抗弹陶瓷性能的技术途径

 

  目前,提高防护装甲用抗弹陶瓷性能的主要途径有:

 

  (1)纤维增韧补强

 

  SiC纤维/SiC复合陶瓷比纯SiC陶瓷的应变量可增大9倍;加入连续碳纤维的Si3N4比纯Si3N4的断裂韧性可提高4倍多。另外,新开发的塑料陶瓷具有比纯陶瓷更好的抗弹性能,而且还可承受多发弹丸的连续侵彻。

 

  (2)梯度功能材料

 

  采用特殊的工艺方法,制备陶瓷到金属连续变化的复合陶瓷材料,可比陶瓷板和金属板组合的复合装甲有更好的抗弹性能。

 

  (3)陶瓷表面处理

 

  为了有效地提高陶瓷的抗裂性,可采用机械化学抛光、表面微氧化、气相沉积和激光表面处理等方法来改善陶瓷的表面状态。另外,用离子注入法在氧化铝陶瓷表面注入金属离子可使其表面的硬度提高约50%;可使碳化硅和氮化硅的弯曲强度提高20%~30%。

 

  陶瓷在复合装甲上的应用

 

  陶瓷复合装甲是由具有高硬度的脆性材料与高强韧的金属材料和非金属材料组合而成的一种具有良好抗弹效果的新型装甲,它们在现代装甲防护中已经得到非常广泛的研究和实际应用。大量的试验表明,当抗弹陶瓷板与弹丸高速碰撞时,陶瓷本身具有的高压缩强度和高硬度将使弹丸发生变形、断裂或偏转;而在弹丸侵彻陶瓷板的过程中,被冲击破碎的陶瓷粉末将会向杆体运动的相反方向发生喷射,使弹丸的侵彻受到极大的摩擦阻力;在这些碎片和粉末对弹丸磨蚀作用下,可使弹杆消耗减短和变形,最终使弹丸失去其侵彻动能而终止对装甲的继续破坏[13,14]。然而,由于陶瓷材料也有本身的缺点,如韧性差、断裂强度低、容易粉碎等,且其受到制备条件的限制,通常陶瓷块的尺寸较小等,所以复合装甲需要在陶瓷板前有一层高韧性的金属面板,并在其后面还需要有一层支撑陶瓷层的高强度金属板。这样,就可利用减少等面密度来提高整个复合装甲的综合防护能力。复合装甲采用这样的结构是因为金属面板对陶瓷碎片反弹体轴向运动的抑制作用增强了陶瓷碎片对弹体的磨蚀作用,同时在陶瓷板前的金属板对脆性陶瓷还具有一定的约束作用,从而可大大提高陶瓷块的抗弹能力。

 

  碳化硅陶瓷以优异的力学性能和性价比成为最有应用前途的防弹陶瓷材料之一,在单兵装备、陆军装甲武器、武装直升机、警、民用特种车辆等诸多装甲防护领域中的多元化应用,使其具有广阔的应用空间。碳化硼陶瓷材料有一定的韧性且硬度很高,经碳化硼板与碳化硼(B4C)基复合材料制成Ф82mm×15mm的靶板靶试表明,这种结构的复合板可抗住2发7.62mm穿甲燃烧弹的攻击,其防护面密度为38kg/m2[18]。目前,陶瓷/背板复合装甲是结构最简单、研究最多的轻型复合装甲,面板常采用A12O3、SiC、B4C、氮化硼(BN)陶瓷等;背板通常采用韧性好的复合材料,如芳纶、高强聚乙烯复合板等;两者的粘结一般采用橡胶胶粘剂、酚醛树脂或环氧树脂等。

 

  陶瓷板在形成陶瓷锥的粉碎区时,将弹丸的侵彻转化为冲击作用,保证了陶瓷复合靶板有效地抵抗穿甲弹的侵彻。弹着点在陶瓷块中心区时,可完整形成粉碎的陶瓷锥;当弹着点在陶瓷块边沿区时,不能形成完整的陶瓷锥,致使靶板的抗弹能力显著下降,一般可使复合装甲陶瓷块的抗弹能力降低约30%。通过聚能射流对约束及非约束陶瓷靶进行抗侵彻性能的实验研究表明,有约束和无约束陶瓷的质量防护系数全都优于45钢;有约束陶瓷的抗射流侵彻能力大大优于非约束陶瓷。通过三维约束可有效地限制陶瓷板在弹丸冲击时的扩容和飞溅,增加弹丸在陶瓷板内部的驻留时间,提高复合装甲的抗弹性能,还可以提高复合装甲抗抵御重复打击能力。最近研究的金属封装陶瓷复合装甲,其典型结构为陶瓷块被封装在由金属盖板、金属框和金属背板构成的类似蜂窝的结构内。目前,制备金属封装陶瓷复合装甲的方法有:组件热压集成法、陶瓷粉末烧结法、金属喷射沉积法和金属浇铸法等。

 

  近些年来,随着各种反装甲弹药性能的日益提高,对于战场上武器装备和人员的生存能力的威胁越来越大,这就对装甲防护材料性能提出了更高的抗弹性能要求,从而大大促进了防护材料朝着高强韧化、轻量化、多功能化和高效能化的方向发展。目前,陶瓷复合装甲的应用已从坦克、舰船用的重型装甲向装甲车辆、飞机等轻型复合装甲方向扩展,这将会对陶瓷复合装甲的应用和研究产生非常重要的影响,也必然将对抗弹陶瓷的研究和开发提供更加广阔的应用空间。可喜的是,随着计算机技术的高速发展和广泛应用,利用数值模拟方法研究陶瓷复合装甲的结构设计和抗弹性能,将会大幅度地降低研制成本和提高新材料、新结构的研究进程,从而成为抗弹陶瓷及复合装甲研制中极为重要的技术手段。可以预料,随着抗弹陶瓷材料研究的不断推进,将会使我国复合装甲技术水平得到巨大的提升,也将会对我国防护装甲技术进步产生非常重要的影响。

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