陶瓷材料作為非金屬材料的關鍵一員，擁有大量極具吸引力的性能，如良好的機械性能和電化學性能，熱導率低、結構致密均勻、耐磨和耐腐蝕等等。正如小米6陶瓷尊享版手機的宣傳語“極致性價比與藝術品般的科技結晶相融合”那樣，陶瓷機身的硬度更高，手感更好，使得陶瓷材料在手機行業的應用得到大家的肯定與贊賞。同樣地，陶瓷在其他領域的應用也逐步得到大家的認可。

圖1 “小米”陶瓷版引起公眾關注

防彈裝甲領域的明星材料

陶瓷材料的高比剛度、高比強度和在復雜環境下的化學惰性，同時相對于金屬材料所具有的低密度、高硬度和高抗壓強度，使其在裝甲系統上的應用十分具有前景，并已經廣泛應用于防彈衣、車輛和飛機等裝備的防護裝甲中。2016年，中國人民解放軍全面列裝的昌河武直-10采用了碳化硼陶瓷裝甲板，使得直升機脆弱的座艙肩膀兩側能夠抗擊12.7mm大口徑機槍子彈。目前，常用的裝甲陶瓷材料主要為碳化硼(B₄C)、碳化硅和氧化鋁。

圖1 武直-10裝備碳化硼材料陶瓷防彈板

陶瓷材料的防彈原理

金屬材料可以通過塑性變形吸收彈頭的能量，而陶瓷作為脆性材料，其破壞時塑性變形量近乎為0（讀者若想進一步了解塑性材料和脆性材料的分類及其性能介紹，可以查看舊文：“火車壓橋抗洪”中材料力學）。因此，在彈頭較大沖擊力作用下，陶瓷材料主要通過微破碎過程吸收能量，其主要過程大致分為初始撞擊階段、侵蝕階段和變形斷裂階段三個階段。裝甲陶瓷表層能使得彈頭鈍化，表面粉碎為細小而堅硬的顆粒，當變鈍的彈丸繼續深入，使得裝甲陶瓷形成碎片層，材料內部的拉應力使得陶瓷碎裂，剩余的能量由背板吸收。陶瓷吸收能量的能力與陶瓷的硬度、彈性模量有關，一般用彈道質量因素來綜合衡量陶瓷的抗彈性能：

(式中：E為彈性模量，H為硬度，ρ為密度。)

由此可見，陶瓷的彈性模量、硬度越大，密度越小，陶瓷對于動能吸收能力越強，即防彈性能越好。此外，以上公式忽略了陶瓷的高斷裂韌性可延遲彈丸撞擊陶瓷的斷裂時間，從而提高陶瓷的斷裂耗能和抗彈阻力。表1列出了陶瓷材料的性質對防彈性能的影響。

表1 陶瓷材料的性質對其防彈性能的影響

防彈裝甲材料的雙子星

簡言之，陶瓷材料高硬度的特點使得其能夠鈍化甚至破碎彈頭，并通過自身破碎的過程吸收高速彈頭的能量；同時，陶瓷材料具有不到鋼材一半的密度，非常適合移動裝甲和單兵防護。

圖2 應用于坦克的陶瓷材料

碳化硅與碳化硼陶瓷在防彈裝甲領域的應用來源已久。20世紀60年代，碳化硼陶瓷最先用于設計防彈背心，并裝配到飛機飛行員的座椅上。之后，由陶瓷面板和復合材料背板共同構成的防彈陶瓷復合裝甲，且在70年代后被美國等西方軍事強國應用于運兵車、坦克及軍機中。

碳化硼是強共價鍵化合物，共價鍵高達93.9％，因而具有密度低、強度大、高溫穩定性以及化學穩定性好的特點，制品尤其適用于輕質裝甲的應用。同時，和金剛石和立方氮化硼相比，碳化硼制造容易、成本低廉。與碳化硼一樣，碳化硅共價鍵極強，高溫下具有高強度的鍵合，這種結構特點賦予了碳化硅陶瓷優異的強度硬度及耐磨等特性。

作為防彈材料，就是將上述材料制備成粉末并進行燒結成塊，從而變成具有防彈能力的陶瓷塊，再與其它配料進一步整合成為可裝備的成品。

圖3 碳化硼防彈片

表2具體列出了碳化硅與碳化硼的材料性質。可依據表1中裝甲陶瓷的材料性能對防彈性能的影響，對表2中三種裝甲陶瓷材料性能進行對比分析。

表2 典型防彈陶瓷的性能對比

我們發現，碳化硅與碳化硼陶瓷均具有密度低的特點，常見氧化鋁陶瓷的密度約為3.5g/cm^-3，而碳化硅和碳化硼的密度分別僅有3.2g/cm^-3和2.5g/cm^-3。可見，在移動裝甲輕量化的趨勢下，碳化硅和碳化硼材料具有先天優勢。

彈性模量方面，氧化鋁陶瓷的彈性模量在350GPa左右，而碳化硅和碳化硼材料的彈性模量在400GPa左右，由上海硅酸鹽研究所利用反應燒結的碳化硅陶瓷彈性模量達到360-380GPa之間，而英美國家利用同樣反應燒結的碳化硅彈性模量能達到430GPa以上。可見，三種主要的裝甲陶瓷材料均具有高彈性模量的特點。

硬度方面，碳化硼＞碳化硅＞氧化鋁。值得一提的是，碳化鎢材料作為生產硬質合金的關鍵材料，與碳化硅相比，碳化硅的硬度為碳化鎢的2倍，密度為碳化鎢的1/5，而且強度在1400℃保持不下降。

耐磨性方面，碳化硼＞碳化硅＞氧化鋁。由中南大學粉末冶金研究所測定數據顯示，氧化鋁陶瓷耐磨性相當于錳鋼的266倍，高鉻鑄鐵的171.5倍。由此可見，陶瓷材料高硬度高耐磨的性能遠遠高于耐磨鋼和不銹鋼。

其它性能方面，碳化硼高溫熱穩定性獨樹一幟，與氧化鋁相比，其熱膨脹系數小1/2，在500℃時，熱傳導高1個數量級，而抗熱震能力高近20倍。但，其斷裂韌性差，抗拉強度低，易于發生脆性斷裂，必須由陶瓷面板與復合材料背板粘結而成的陶瓷復合靶板，才能克服陶瓷由于拉應力引起的失效。這種復合靶板的制作，通常是利用小塊排布的陶瓷面板與復合材料背板粘接，這樣同時也能避免整塊的陶瓷面板破碎，彈丸侵入時僅會粉碎單塊裝甲。

此外，碳化硅和碳化硼材料目前的價格仍然較高，碳化硼的價格甚至達到每千克700-800元，為氧化鋁材料的近乎10倍。然而，隨著裝甲系統輕量化、高效化的發展需求，防彈陶瓷的優越性愈加凸顯，碳化硅與碳化硼材料作為防彈裝甲材料的雙子星，相信仍有很大的進步空間。

作者：火宣