陶瓷裝甲的發展(上)

基本特點及早期應用

陶瓷已經有數千年的歷史，其是一種經高溫燒制的材料，但應用在裝甲車輛上的現代陶瓷并不等同于我們日常使用的陶器或瓷磚，主要是強度有很大差別。現代陶瓷的強度非常高，優于目前強度最高的鋼(見圖表)，但其也有弱點，在受拉時很容易斷裂，只能承受極小的拉伸變形。如果陶瓷局部受拉力作用，內部將會出現裂紋，進而引起整塊陶瓷碎裂。因此，將陶瓷用于車輛裝甲板時必須慎重考慮。

大多數裝甲系統采用復合材料，即由“分解層”和“吸收層”組成，可以分解和吸收來襲彈頭的能量。陶瓷通常充當裝甲中的“分解層”，即作為附加裝甲使用，使來襲彈頭碎裂或迅速分解彈頭的能量。彈頭碎裂或改變彈頭碎片方向后就不會對整個裝甲結構產生致命損傷。復合裝甲中的其他材料充當“吸收層”，這些材料可以產生較大的塑性變形以吸收彈頭動能，將動能轉化為其他形式的能量，如熱能。例如，要想防御7.62×39cm步槍彈，大約6mm厚的陶瓷層再加上諸如凱夫拉之類的襯層就足以使7.62mm步槍彈彈頭碎裂。彈頭碎裂的同時向四周飛散，這樣就降低了彈頭的動能密度，因此，彈頭就不會穿透陶瓷和凱夫拉。

陶瓷裝甲的最早應用可追溯至一戰結束后的1918年，當時內韋爾·門羅·霍普金斯少校通過試驗發現，鋼裝甲表面涂上一層厚1.6mm的瓷釉能夠大大增強防護性能。

盡管陶瓷材料的發現很早，但多年以后陶瓷材料才開始應用于軍事用途。廣泛采用陶瓷裝甲材料的是前蘇聯軍隊，美軍也曾在越南戰爭中大量使用。1965年，UH—1直升機的駕駛員和副駕駛員座椅上安裝了硬面復合裝甲套件，座椅的底部、側面和后部均加裝了碳化硼陶瓷防護板和玻璃纖維襯層，能夠防御7.62mm穿甲彈。

陶瓷的防彈機理

在彈頭撞擊陶瓷裝甲的瞬間，撞擊產生的超壓沖擊波沿著陶瓷裝甲和彈頭傳播，造成兩者損壞，尤其是當超壓沖擊波傳播到陶瓷層和襯層的分界面時具有更大的破壞作用。現在，大多數陶瓷裝甲與襯層之間用低硬度、低密度的粘性聚合物粘接而成。當超壓沖擊波傳播到陶瓷與聚合物粘合層的分界面時，超壓沖擊波產生強烈的拉伸作用，破壞陶瓷層，同時強烈的剪切作用破壞聚合物粘合層。在拉伸和剪切作用下，陶瓷層與襯層分離。與此同時，彈頭受壓而碎裂。在撞擊點四周會形成圓錐形的碎裂區。

正是由于陶瓷具有硬度高的優點，才會阻止彈頭穿透裝甲。高硬度陶瓷可以對彈頭產生較大的反作用力，降低彈頭速度。

而對于諸如RPG-7火箭彈配用的成型裝藥戰斗部，陶瓷材料的易碎特性使其具有更好的防護作用。當成型裝藥戰斗部爆炸產生的金屬射流穿過陶瓷裝甲時，受金屬射流侵徹的陶瓷立刻碎裂成很小的碎塊，造成金屬射流侵徹形成的空腔相對不穩定，因此對金屬射流有較大的干擾，從而使其穿甲性能大大降低。

陶瓷作為防護裝甲的應用

氧化鋁陶瓷

1980年代，應用于裝甲系統的陶瓷主要是氧化鋁(也稱礬土)陶瓷。氧化鋁陶瓷性能優良，制造成本相對較低，很薄的陶瓷層就可以防御輕武器彈藥。在英國，第一種批量生產的人體護甲采用的就是氧化鋁陶瓷防護板。

1995年之后，各國用于提升氧化鋁陶瓷性能的投入很大，但其防護性能的提高卻始終有限。盡管如此，由于氧化鋁陶瓷的質量較輕，其仍廣泛應用在一些飛機的防護或人體護甲上。

碳化硼陶瓷

除了氧化鋁外，其他陶瓷裝甲材料也嶄露頭角。其中，最引人注目的是1960年代就開始應用的碳化硼陶瓷。碳化硼陶瓷具有超高的硬度，同時也擁有驚人的價格。因此，這種陶瓷只用于某些對防護性能有更高要求的特殊場合，如美軍的V22“魚鷹”旋轉翼飛機的機組人員座椅。另外，英軍使用的增強型人體護甲(EBA)也采用了碳化硼陶瓷，其可以防御12.7mm鋼心穿甲彈。EBA里面還有一層“鈍傷”防護層，在陶瓷受到沖擊但沒有被穿透、襯層發生變形時保護人體免受鈍傷，從而保護人體重要器官不受傷害。

英國BAE系統公司先進陶瓷分公司就生產碳化硼陶瓷，并且已經用作美軍“攔截者”防彈衣的防護插板。到2002年，共有1.2萬套“攔截者”防彈衣投入戰場。

碳化硼陶瓷當然也有其不足之處，近幾年的事實表明，它對彈心由高密度材料制成的高速彈頭的防護能力不盡如人意。這是由于高硬度高速彈頭沖擊碳化硼陶瓷時會使它的物理性質發生變化所致。

雖然碳化硼陶瓷對硬心穿甲彈的防護作用并不理想，但其對普通鋼心穿甲彈的防護還是游刃有余的。

碳化硅陶瓷

最近幾年，由英國BAE系統公司和美國賽瑞丹(Ceradyne)公司推出的熱壓型碳化硅陶瓷防護效果更勝一籌。碳化硅陶瓷是在高溫(達到2000℃)高壓條件下燒制，以獲得超高的強度，其強度遠大于彈頭，彈頭在撞擊后馬上碎裂使其動能迅速釋放。試驗證明，這種陶瓷對輕武器彈藥和尾翼穩定脫殼穿甲彈有良好的防護效果，而且價格相對低廉。

采用熱壓工藝將碳化硅陶瓷與金屬壓在一起可以制成良好的裝甲材料。熱壓工藝的目的是利用金屬和陶瓷受熱冷卻時產生不同物理變化而使碳化硅陶瓷內部產生較大的應力，從而獲得超高的強度。另外，熱壓碳化硅陶瓷抗多次打擊能力也得到提高。

碳化硅陶瓷還可以采用化學反應工藝來生產，這種生產工藝可以精確控制陶瓷尺寸，但由于化學反應生成的一些金屬雜質會留在陶瓷中，因此降低了陶瓷的強度。利用化學反應工藝生產出的碳化硅陶瓷可以用于受威脅較小的裝甲系統中。

其他陶瓷

除了上述陶瓷外，還有其他一些陶瓷可用于裝甲材料，如氮化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化鎢陶瓷、二硼化鈦陶瓷等。氮化硅陶瓷和氮化鋁陶瓷等在裝甲系統中的應用很少。碳化鎢陶瓷價格昂貴，但密度大(大約是碳化硅陶瓷的6倍)、強度高，對穿甲彈有良好的防護效果。碳化鎢適合用于對裝甲材料的體積有要求但對裝甲質量無要求的場合。二硼化鈦陶瓷的性能也很優良，密度比碳化硅大。與碳化鎢一樣，二硼化鈦具有導電性，可以通過電化學方法加工，而用其他方法很難切割。與碳化鎢一樣，昂貴的價格限制了二硼化鈦陶瓷的應用。(待續)

編輯／劉蘭芳

下期預告

本文下篇將介紹用于取代防彈玻璃的材料——透明陶瓷，并對提高裝甲性能的新方式及陶瓷裝甲的未來發展作了描述，敬請期待。