現(xiàn)代戰(zhàn)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(guān)鍵技術(shù)之一。從裝甲材料的歷史發(fā)展來看，從傳統(tǒng)的金屬材料（鋼、鋁），到現(xiàn)在先進(jìn)的陶瓷材料、復(fù)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(fā)展。裝甲防護(hù)的基本原理是消耗射彈能量、使射彈減速并達(dá)到無害，金屬材料通過結(jié)構(gòu)發(fā)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(hù)起到了重要的作用，但對于軍機(jī)和人體的近身防護(hù)，由于密度較大，會影響戰(zhàn)術(shù)性能發(fā)揮，因此在發(fā)展中防彈陶瓷由于輕量和性價(jià)比逐漸在眾多領(lǐng)域取代了金屬裝甲。

防彈陶瓷

在國內(nèi)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(lǐng)域材料方面炙手可熱的良好選擇，目前已廣泛應(yīng)用于防彈衣、防彈裝甲、武裝直升機(jī)以及警、民用特種車輛等防護(hù)領(lǐng)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(jié)法制備。純碳化硼在燒結(jié)過程中通常存在燒結(jié)溫度高、燒結(jié)后所得陶瓷致密度低，斷裂韌性較差等問題。工業(yè)上一般采用無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等技術(shù)燒結(jié)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(jié)是國內(nèi)碳化硼陶瓷企業(yè)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(dāng)被子彈射中后，防彈陶瓷經(jīng)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(xì)小且堅(jiān)硬的碎塊區(qū)的過程中吸收能量；（2）侵蝕階段：變鈍的彈丸繼續(xù)侵蝕碎塊區(qū)，形成連續(xù)的陶瓷碎片層；（3）變形、裂縫和斷裂階段：最后陶瓷中產(chǎn)生張應(yīng)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(yīng)力吸收能量，由于陶瓷是脆的，所以這個“韌”指的不是產(chǎn)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(jié)工藝要盡量利用反應(yīng)過程中的化學(xué)驅(qū)動力、微裂紋增韌等作用來達(dá)到既能降低碳化硼的燒結(jié)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(xì)，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(xì)化晶粒、提高結(jié)構(gòu)均勻性、減少缺陷尺寸等方面入手，其增韌機(jī)制有相變增韌、纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌、顆粒彌散增韌。

撞擊產(chǎn)生后，在拉伸載荷作用下，斷裂首先發(fā)生在非均質(zhì)處如孔隙和晶界上。因此，為使微觀應(yīng)力集中降低到最小程度，防彈陶瓷應(yīng)當(dāng)是孔隙率低（達(dá)理論密度值的99%）和細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量陶瓷。

常用的幾種燒結(jié)技術(shù)各有優(yōu)劣，通過以下各自的優(yōu)缺點(diǎn)對比可知，綜合設(shè)備工藝成熟度和生產(chǎn)成本，以及關(guān)鍵性能等因素，目前工業(yè)上制作質(zhì)量更優(yōu)、防彈效果更好的碳化硼陶瓷最適合的方法，就是熱壓燒結(jié)。

典型碳化硼防彈陶瓷制備工藝

熱壓燒結(jié)的作用機(jī)制

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

促進(jìn)熱壓燒結(jié)進(jìn)行的因素主要有兩個：通電產(chǎn)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(yīng)變誘導(dǎo)孿晶、晶界滑移、蠕變以及后階段重結(jié)晶與體積擴(kuò)散相結(jié)合等物質(zhì)遷移。

由于粉料在加熱加壓進(jìn)行時(shí)處于熱塑性狀態(tài)，有利于顆粒擴(kuò)散和傳質(zhì)過程的進(jìn)行，能有效降低燒結(jié)溫度，減少燒結(jié)時(shí)間，因而可獲得致密度高、氣孔小而少、晶粒細(xì)小和力學(xué)性能良好的碳化硼陶瓷制品。

熱壓燒結(jié)的性能

通常熱壓燒結(jié)條件為：真空或惰性氣氛壓力20～40 MPa，溫度2200～2 300 ℃，保溫時(shí)間0.5～2h。碳化硼是共價(jià)鍵很強(qiáng)的化合物，在高溫下燒結(jié)擴(kuò)散速率慢，物質(zhì)流動發(fā)生較少，使其致密化過程非常困難。

在熱壓燒結(jié)過程中致密化的三種連續(xù)機(jī)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(dǎo)致開口氣孔率的關(guān)閉，而不會對閉口氣孔產(chǎn)生顯著影響(1 950～2100℃)；

（3）熱壓結(jié)束時(shí)的體積擴(kuò)散和氣孔消除(2100～2200℃)。

碳化硼致密化

此外，為了降低燒結(jié)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(jìn)碳化硼的熱壓燒結(jié)。添加劑包括燒結(jié)助劑或第二相反應(yīng)燒結(jié)，在高溫高壓條件下，可以促進(jìn)燒結(jié)，控制晶粒長大，提高力學(xué)性能，獲得高致密度、高性能的碳化硼陶瓷產(chǎn)品。

目前加入的添加劑主要包括金屬單質(zhì)( 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(fā)生原位反應(yīng)，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(lǐng)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(dāng)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(jié)語

總體來說，熱壓燒結(jié)具有以下優(yōu)勢：

（1）熱壓時(shí)，由于粉料處于熱塑性狀態(tài)，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(shí)加溫、加壓，有助于粉末顆粒的接觸和擴(kuò)散、流動等傳質(zhì)過程，降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時(shí)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(jié)體，容易得到細(xì)晶粒的組織，易得到具有良好機(jī)械性能、電學(xué)性能的產(chǎn)品；

（4）能生產(chǎn)形狀較符合要求、尺寸較精確的產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)中，采用熱壓燒結(jié)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(chǎn)品抗彈丸多次連續(xù)打擊的能力，是目前碳化硼陶瓷需要持續(xù)研究的重要方向。

參考來源：

1.防彈陶瓷的研究現(xiàn)狀與發(fā)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(xué)材料科學(xué)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院)；

3. 碳化硼陶瓷的制備工藝及其應(yīng)用現(xiàn)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(xué)冶金學(xué)院)；

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