碳化硼陶瓷防彈機(jī)理及應(yīng)用

碳化硼陶瓷分子式B4C，呈現(xiàn)黑灰色，是一種主晶相陶瓷，屬六方晶系。碳化硼陶瓷的密度不高，僅為2.52g/cm3，但是它的硬度則達(dá)到了維氏硬度49.5GPa，它的熔點(diǎn)更是達(dá)到了2450攝氏度。目前已知自然界中，碳化硼陶瓷的硬度排在第三，比它更堅(jiān)硬的還有立方氮化硼和金剛石。碳化硼陶瓷尤其是熱壓燒結(jié)的碳化硼陶瓷具有它較大的熱中子俘獲截面，因此也常常用它來(lái)吸收中子，這也是很多核反應(yīng)堆中經(jīng)常要使用它的原因。。碳化硼陶瓷的用途較廣，可以用它來(lái)加工車刀、鑄模、陶瓷、寶石等，一些噴砂嘴也是用它來(lái)制造的。本次我們要重點(diǎn)來(lái)看看它在防彈領(lǐng)域的一些技術(shù)知識(shí)以及應(yīng)用情況。
陶瓷防護(hù)裝甲的機(jī)理
炮彈或其他彈藥以高速撞擊到防彈材料表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的沖擊波，當(dāng)這種沖擊波傳播到陶瓷與聚合物黏合層的分界面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉抻作用以及剪切作用，使陶瓷層和聚合物粘合層造成破壞。在這兩種力的作用下，陶瓷層與襯層分離。與此同時(shí)，彈頭和彈藥破片受壓而碎裂，形成圓錐形的碎裂區(qū)。正是由于陶瓷具有硬度高的優(yōu)點(diǎn)，才會(huì)將彈頭和彈藥破片的沖擊波能量分解到一個(gè)較大的防護(hù)面積；從而有效阻止彈頭和彈藥破片，保護(hù)人員的重要部位。

碳化硼陶瓷防彈裝甲

2.陶瓷防護(hù)裝甲的要求
武裝防彈陶瓷要求的性能較多，例如：密度和氣孔率、硬度、斷裂韌性、楊氏模量、聲速、機(jī)械強(qiáng)度等，任何一個(gè)性能都不能與整體防彈性能有直接和決定性的關(guān)系，因而斷裂機(jī)理十分復(fù)雜，裂紋形成是由許多因素引起的，而且發(fā)生的時(shí)間十分短暫。
防彈陶瓷的氣孔率應(yīng)盡量低，以提高硬度和楊氏模量，對(duì)Al2O3瓷來(lái)說(shuō)，其氣孔率應(yīng)接近于零，而吸水率不超過(guò)0.02%。
陶瓷的硬度要求很高，應(yīng)高于飛行彈頭的硬度，對(duì)Al2O3陶瓷來(lái)說(shuō)，硬度Hv應(yīng)超過(guò)12.2～12.5GPa。
高的聲速，一般通過(guò)聲音在陶瓷中傳播速度來(lái)表征陶瓷沖擊面上消耗能量的能力，高的聲速表示陶瓷有良好的致密化和低的封閉氣孔。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，Al2O3瓷的聲速應(yīng)大于10000m/s，最好是10500～11500m/s。
 3.陶瓷防護(hù)裝甲的類型
陶瓷防護(hù)裝甲一般有兩種防彈類型，主要為單片陶瓷結(jié)構(gòu)和復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)。
單片結(jié)構(gòu)陶瓷包括氧化物陶瓷(主要是Al2O3)和非氧化物陶瓷(例如：B4C、SiC、Si3N4、AlN和TiB2等)，以及二元系統(tǒng)(例如：B4C-TiB2基復(fù)合陶瓷)。一般來(lái)說(shuō)，非氧化物陶瓷具有更高的物理性能和相對(duì)低的密度（除TiB2基陶瓷外），作為防彈比Al2O3更有利。然而這些材料制造方法多用價(jià)格較貴的熱壓，不易產(chǎn)業(yè)化。但熱壓可提高防彈陶瓷的機(jī)械性能，這一點(diǎn)也是明顯的。
復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)具有高的防彈性能，其具有更高的斷裂韌性。在射彈沖擊之后，與單片陶瓷相比，復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)具有較好的完整性。幾種復(fù)合陶瓷如下：Al2O3/SiCw、Al2O3/SiCf、Al2O3/Cf、TiB2/B4Cp、TiB2/SiCp以及金屬陶瓷，這些復(fù)合陶瓷需要特別的工藝和設(shè)備，因而價(jià)格也比較貴。
 4.碳化硼(B4C)陶瓷裝甲
相對(duì)于其他陶瓷材料體系，B4C陶瓷具有低密度（2.52g/cm3）、超高的硬度（維氏硬度36GPa）的優(yōu)越特性，目前主要用于某些對(duì)防護(hù)性能有更高要求的特殊場(chǎng)合，如美軍的V22“魚(yú)鷹”旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)的機(jī)組人員座椅。另外，英軍使用的增強(qiáng)型人體護(hù)甲（EBA）也采用了B4C陶瓷，其可以防御12.7mm鋼芯穿甲彈。EBA里面還有一層“鈍傷”防護(hù)層，在陶瓷受到?jīng)_擊但沒(méi)有被穿透、襯層發(fā)生變形時(shí)保護(hù)人體免受鈍傷，從而保護(hù)人體重要器官不受傷害。英國(guó)BAE系統(tǒng)公司先進(jìn)陶瓷分公司就生產(chǎn)B4C陶瓷，并且已經(jīng)用作美軍“攔截者”防彈衣的防護(hù)插板。

目前中國(guó)武直-10開(kāi)始安裝了B4C陶瓷防彈板。該陶瓷板應(yīng)該與先前巴陸軍測(cè)試的Z-10P上的陶瓷板相同，位于飛行員雙肩處，型號(hào)為ZJYP1-9110-200，據(jù)研判可抗12.7mm彈的沖擊，平時(shí)不用時(shí)可以放下。防彈陶瓷板的曝光證明武直-10的防護(hù)能力比原先估計(jì)的要更強(qiáng)大，相信武直-10K也應(yīng)該有同樣的配置。
圖3武直-10碳化硼陶瓷防護(hù)裝甲 
5.碳化硼陶瓷粉體細(xì)度對(duì)力學(xué)性能的影響
根據(jù)陶瓷學(xué)的基本原理我們知道，陶瓷制品生產(chǎn)中所使用的粉體原料粒徑越小、分布越窄，越有利于降低陶瓷的燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)所需時(shí)間，從而得到晶粒細(xì)小的陶瓷制品，這就能獲得優(yōu)異的力學(xué)性能及其他綜合性能。所以，對(duì)于碳化硼制品生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，選擇碳化硼超細(xì)粉體進(jìn)行制品生產(chǎn)，能從當(dāng)前主要的熱壓燒結(jié)工藝改為無(wú)壓燒結(jié)工藝，不但能降低生產(chǎn)成本，還能降低廢品率并提高制品性能，有利于廠家自己技術(shù)與產(chǎn)品升級(jí)，提高產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。