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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：741231

摘要：

人體防護(hù)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(hù)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(fù)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(shí)，需要裝備由抗彈陶瓷…

人體防護(hù)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(hù)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(fù)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(shí)，需要裝備由抗彈陶瓷/纖維復(fù)合材料為基本防護(hù)結(jié)構(gòu)的防彈插板和防彈盾牌，盡可能滿足高強(qiáng)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(hù)裝備上獲得推廣應(yīng)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(hù)裝備對輕量化、高防護(hù)應(yīng)用需求的日益迫切和B4C陶瓷產(chǎn)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(yīng)用。作為防彈衣的加強(qiáng)防護(hù)組件，
現(xiàn)役防彈插板由B4C陶瓷板和超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料板復(fù)合而成，其基本防護(hù)原理為：利用B4C抗彈陶瓷鈍化、磨蝕彈丸，然后利用纖維復(fù)合材料吸收殘余沖擊動(dòng)能。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和防護(hù)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(jié)工藝
致密的微觀結(jié)構(gòu)是陶瓷發(fā)揮優(yōu)異力學(xué)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(fù)性差異很小，會(huì)形成很強(qiáng)的共價(jià)鍵，造成B4C陶瓷中共價(jià)鍵的比例高達(dá)94%，遠(yuǎn)高于Al2O3陶瓷中共價(jià)鍵的比例33%和SiC陶瓷中共價(jià)鍵的比例88%，加之B4C陶瓷高熔點(diǎn)、高蒸汽壓、低自擴(kuò)散系數(shù)的特性，嚴(yán)重阻礙其致密化進(jìn)程，使得B4C的燒結(jié)異常困難，以下將簡單介紹幾種燒結(jié)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。
幾種主要B4C陶瓷燒結(jié)工藝特點(diǎn)
除以上工藝外，超高壓燒結(jié)工藝、等離子束熔融工藝等燒結(jié)方法也能得到性能優(yōu)異的陶瓷制品，但由于工藝復(fù)雜、設(shè)備和技術(shù)要求高等原因，目前未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
B4C防彈陶瓷的性能改善方法
1.采用合適的燒結(jié)助劑
B4C陶瓷燒結(jié)助劑的作用機(jī)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(jià)離子來取代碳，從而導(dǎo)致電子缺位和空隙，以及提高點(diǎn)缺陷或位錯(cuò)密度來提高晶界和體積擴(kuò)散的活化作用；
（3）加入熔點(diǎn)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(jié)過程中形成的液相來提供物質(zhì)遷移的快速通道。
B4C陶瓷常用燒結(jié)助劑
近年來，為協(xié)同提高陶瓷強(qiáng)度、韌性、硬度等多種力學(xué)性能參數(shù)，人們對復(fù)合燒結(jié)助劑的應(yīng)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(fù)合助劑體系研究都取得了良好的應(yīng)用效果?？梢灶A(yù)見，對陶瓷成分的精細(xì)設(shè)計(jì)、混料工藝的創(chuàng)新途徑和微觀結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控研究將成為陶瓷性能進(jìn)一步提升的重要發(fā)展方向。
2.B4C防彈陶瓷增韌技術(shù)
盡管B4C陶瓷具備高硬度、高強(qiáng)度和低密度等優(yōu)點(diǎn)，但是其較低的韌性嚴(yán)重地影響了其抗多發(fā)彈性能。通過對B4C陶瓷進(jìn)行增韌可以延長彈丸撞擊陶瓷材料的斷裂時(shí)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(qiáng)。
陶瓷材料韌性差是由于材料在斷裂時(shí)主裂紋以平直方式延伸，裂紋擴(kuò)展路徑短，斷裂產(chǎn)生的表面能和裂紋擴(kuò)展功也小。因此，加大裂紋路徑，提高裂紋擴(kuò)展能，可以實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的增韌。B4C的強(qiáng)韌化可以通過控制材料顯微結(jié)構(gòu)和使裂紋釘扎、偏轉(zhuǎn)、彎曲及第二相橋聯(lián)、應(yīng)力誘導(dǎo)微裂紋、相變等多種方式實(shí)現(xiàn)。
（1）晶粒細(xì)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(jié)構(gòu)，能顯著提高材料的斷裂性能。晶粒越細(xì)小、材料晶界越多、晶體缺陷密度越低，陶瓷斷裂時(shí)裂紋沿著晶界擴(kuò)展的路徑就越長，裂紋轉(zhuǎn)向次數(shù)就越多，從而阻滯裂紋的擴(kuò)展，起到增韌效果。
（2）第二相復(fù)合增韌
第二相增韌可以分為顆粒增韌和纖維（晶須）補(bǔ)強(qiáng)增韌。
顆粒的增韌機(jī)理主要有微裂紋增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)增韌以及促使斷裂方式由穿晶斷裂向沿晶斷裂轉(zhuǎn)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(dāng)增韌粒子為納米粒子時(shí)，彌散在基體晶內(nèi)和晶間的納米顆粒可以起到良好的強(qiáng)韌化效果。
纖維（晶須）補(bǔ)強(qiáng)增韌機(jī)理主要是裂紋偏轉(zhuǎn)增韌、橋聯(lián)增韌、拔出效應(yīng)。通過纖維對陶瓷材料進(jìn)行增韌補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，需特別注意從纖維與基體的化學(xué)相容性和熱物理相容性方面，進(jìn)行界面相容性設(shè)計(jì)。SiC、C、Si3N4、B4C、Al2O3等纖維被廣泛運(yùn)用以提高材料的韌性和強(qiáng)度，相關(guān)的連續(xù)纖維増強(qiáng)陶瓷已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。
（3）層狀結(jié)構(gòu)
近年來，對于裝甲陶瓷等脆性材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)，除了傳統(tǒng)的強(qiáng)韌化技術(shù)途徑，層狀結(jié)構(gòu)或仿生層狀結(jié)構(gòu)材料同樣受到廣泛關(guān)注。
仿生層狀結(jié)構(gòu)
層狀復(fù)合陶瓷是在脆性的陶瓷層間加入不同材質(zhì)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(jié)構(gòu)的材料在應(yīng)力場中是一種能量耗散結(jié)構(gòu)，能克服陶瓷突發(fā)性斷裂的致命缺點(diǎn)，因而能夠使陶瓷材料的韌性大大提高。
總結(jié)
盡管B4C陶瓷以優(yōu)異的“三高一低”特性表現(xiàn)出成為人體防護(hù)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(diǎn)也一直制約其產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)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(fù)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(fù)合材料板無法進(jìn)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(xué)性能和韌性的提高，對提高其表面活性的研究也應(yīng)予以重視，針對人體防護(hù)裝備對高性能、輕量化、低成本化防彈陶瓷的應(yīng)用需求繼續(xù)深入探索。

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