現代戰爭中，防彈裝甲材料是不可缺少的生存之本，是軍事武器的關鍵技術之一。從裝甲材料的歷史發展來看，從傳統的金屬材料（鋼、鋁），到現在先進的陶瓷材料、復合材料（聚合物基、金屬基、陶瓷基），裝甲材料一直向著輕量、高效的方向發展。裝甲防護的基本原理是消耗射彈能量、使射彈減速并達到無害，金屬材料通過結構發生塑性變形來吸收能量，而陶瓷材料則是通過微破碎過程吸收能量。

而金屬防彈材料對于坦克、軍艦、裝甲車等的防護起到了重要的作用，但對于軍機和人體的近身防護，由于密度較大，會影響戰術性能發揮，因此在發展中防彈陶瓷由于輕量和性價比逐漸在眾多領域取代了金屬裝甲。

防彈陶瓷

在國內外常用的眾多防彈陶瓷材料中，碳化硼（B₄C）由于密度最低，彈性模量較高，硬度高，使其成為軍事裝甲和空間領域材料方面炙手可熱的良好選擇，目前已廣泛應用于防彈衣、防彈裝甲、武裝直升機以及警、民用特種車輛等防護領域。

幾種常用防彈陶瓷材料性能對比

碳化硼防彈陶瓷制備方法的選擇

目前碳化硼防彈材料主要通過燒結法制備。純碳化硼在燒結過程中通常存在燒結溫度高、燒結后所得陶瓷致密度低，斷裂韌性較差等問題。工業上一般采用無壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結、放電等離子燒結等技術燒結碳化硼。

小編了解到，對于目前的防彈陶瓷制造來說，熱壓燒結是國內碳化硼陶瓷企業最傾向于采用的制備方式，那么其中到底有什么門道呢？

首先，我們要弄清楚防彈陶瓷最需求的性能是什么。

當被子彈射中后，防彈陶瓷經歷了三個過程：（1）初始撞擊階段：彈丸撞擊陶瓷表面，使彈頭變鈍，在陶瓷表面粉碎形成細小且堅硬的碎塊區的過程中吸收能量；（2）侵蝕階段：變鈍的彈丸繼續侵蝕碎塊區，形成連續的陶瓷碎片層；（3）變形、裂縫和斷裂階段：最后陶瓷中產生張應力使陶瓷碎裂，隨后背板變形，剩余的能量全部由背板材料的變形所吸收。彈丸撞擊陶瓷的過程中，彈丸和陶瓷均受到破壞。

通俗來講，防彈陶瓷要足夠“硬”，能在撞擊過程中破壞彈體，防彈陶瓷還需要足夠“韌”，能在撞擊過程中釋放應力吸收能量，由于陶瓷是脆的，所以這個“韌”指的不是產生塑性變形的韌性，而是斷裂韌性。

材料性能對防彈性能的影響

因此，碳化硼陶瓷的燒結工藝要盡量利用反應過程中的化學驅動力、微裂紋增韌等作用來達到既能降低碳化硼的燒結溫度又能提高制品的綜合性能的效果。

陶瓷致密度越高，陶瓷晶粒越細，陶瓷整體的硬度就越高。而要想提高陶瓷材料的斷裂韌性，可以從細化晶粒、提高結構均勻性、減少缺陷尺寸等方面入手，其增韌機制有相變增韌、纖維補強增韌、顆粒彌散增韌。

撞擊產生后，在拉伸載荷作用下，斷裂首先發生在非均質處如孔隙和晶界上。因此，為使微觀應力集中降低到最小程度，防彈陶瓷應當是孔隙率低（達理論密度值的99%）和細晶粒結構的高質量陶瓷。

常用的幾種燒結技術各有優劣，通過以下各自的優缺點對比可知，綜合設備工藝成熟度和生產成本，以及關鍵性能等因素，目前工業上制作質量更優、防彈效果更好的碳化硼陶瓷最適合的方法，就是熱壓燒結。

典型碳化硼防彈陶瓷制備工藝

熱壓燒結的作用機制

熱壓燒結是指將干燥、混合均勻的碳化硼粉料填充入高強石墨模具內，一邊加熱一邊從單軸方向加壓，是成型和燒結相結合的一種燒結方法。其優勢之一是不需要單獨的成型工藝。

促進熱壓燒結進行的因素主要有兩個：通電產生的焦耳熱和加壓造成的塑性變形。熱壓的過程中會造成塑性流動和顆粒重排、應變誘導孿晶、晶界滑移、蠕變以及后階段重結晶與體積擴散相結合等物質遷移。

由于粉料在加熱加壓進行時處于熱塑性狀態，有利于顆粒擴散和傳質過程的進行，能有效降低燒結溫度，減少燒結時間，因而可獲得致密度高、氣孔小而少、晶粒細小和力學性能良好的碳化硼陶瓷制品。

熱壓燒結的性能

通常熱壓燒結條件為：真空或惰性氣氛壓力20～40 MPa，溫度2200～2 300 ℃，保溫時間0.5～2h。碳化硼是共價鍵很強的化合物，在高溫下燒結擴散速率慢，物質流動發生較少，使其致密化過程非常困難。

在熱壓燒結過程中致密化的三種連續機制:

（1）粒子重排，開口氣孔率降低，閉口氣孔率保持不變(溫度范圍：1800～1950℃)；

（2）塑性流動，導致開口氣孔率的關閉，而不會對閉口氣孔產生顯著影響(1 950～2100℃)；

（3）熱壓結束時的體積擴散和氣孔消除(2100～2200℃)。

碳化硼致密化

此外，為了降低燒結溫度和表面能、提高碳化硼陶瓷的綜合性能，必須加入添加劑來促進碳化硼的熱壓燒結。添加劑包括燒結助劑或第二相反應燒結，在高溫高壓條件下，可以促進燒結，控制晶粒長大，提高力學性能，獲得高致密度、高性能的碳化硼陶瓷產品。

目前加入的添加劑主要包括金屬單質( Fe、Al、Ni、Ti、Cu、Cr 等)、金屬氧化物(Al2O3、TiO2等)、過渡金屬碳化物(CrC、VC、WC、TiC等)及其他添加劑(AlF3、MgF2、Be2C、Si等)。添加劑通過它本身或與碳化硼發生原位反應，將形成一個非易失性的第二相，幫助致密化和性能的提高。

在防彈陶瓷領域，通常做成的形狀是圓柱形、正方形和正六邊形，其中圓柱形陶瓷的防彈能力最好，但存在較大的空隙；正方形陶瓷塊有較多防彈性能差的直通縫，影響其防彈性能；正六邊形陶瓷綜合性能較好，但要求陶瓷塊的形狀尺寸要精確。對于當前的熱壓工藝，能滿足大部分需求形狀的碳化硼陶瓷的制備。

結語

總體來說，熱壓燒結具有以下優勢：

（1）熱壓時，由于粉料處于熱塑性狀態，形變阻力小，易于塑性流動和致密化，所需的成型壓力僅為冷壓法的1/10；

（2）由于同時加溫、加壓，有助于粉末顆粒的接觸和擴散、流動等傳質過程，降低燒結溫度和縮短燒結時間，抑制了晶粒的長大；

（3）熱壓法容易獲得接近理論密度、氣孔率接近于零的燒結體，容易得到細晶粒的組織，易得到具有良好機械性能、電學性能的產品；

（4）能生產形狀較符合要求、尺寸較精確的產品；

（5）粉末粒度、硬度對熱壓過程影響小，適合壓制硬而脆的材料。

在目前的工業生產中，采用熱壓燒結能制備出防彈效果更佳的防彈陶瓷，如何保證碳化硼陶瓷在高硬度的前提下，提高材料的韌性，提高防彈產品抗彈丸多次連續打擊的能力，是目前碳化硼陶瓷需要持續研究的重要方向。

參考來源：

1.防彈陶瓷的研究現狀與發展趨勢，孫志杰、吳燕、張佐光、仲偉江、沈建明；

(北京航空航天大學材料科學與工程系)；

2. 防彈裝甲中的陶瓷材料，吳燕平、燕青芝；(北京科技大學材料科學與工程學院)；

3. 碳化硼陶瓷的制備工藝及其應用現狀，聶丹、王帥、邢鵬飛、王曉峰、李欣、孟凡興、劉坤、雷敏軍、都興紅；(東北大學冶金學院)；

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