陶瓷復(fù)合裝甲材料的研究和發(fā)展

摘 要：陶瓷復(fù)合裝甲由于在防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用背景而引起人們的廣泛關(guān)注，本文綜述了陶瓷復(fù)合裝甲材料的研究和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：陶瓷；裝甲；材料

1 陶瓷裝甲材料的性能

新材料技術(shù)在軍事上的用途十分廣泛，可提升武器裝備的性能，在軍事領(lǐng)域新材料技術(shù)正向高功能化、復(fù)合輕量和智能化的方向發(fā)展。陶瓷材料作為一種先進(jìn)的高技術(shù)材料，它具有種高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、高耐磨性和重量輕的特點(diǎn)，不僅應(yīng)用在坦克的防護(hù)上，也應(yīng)用在飛機(jī)、艦船、車輛、關(guān)鍵部位的防彈遮蔽層和單兵作戰(zhàn)的防護(hù)上，它的應(yīng)用范圍越來越廣泛。實(shí)踐表明，世界上許多先進(jìn)坦克的防護(hù)裝甲采用高性能陶瓷后，防護(hù)能力明顯提高，陶瓷已經(jīng)成為復(fù)合裝甲不可缺少的材料之一[1]。

但是，陶瓷材料的易脆性是阻礙它應(yīng)用的主要原因。目前，改進(jìn)陶瓷脆性的研究已取得了較大進(jìn)展，主要的途徑是通過復(fù)合，提高陶瓷的強(qiáng)度、韌性。目前對(duì)于均質(zhì)裝甲的侵徹和損傷機(jī)理的研究在國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展成熟，但對(duì)于由陶瓷組成的復(fù)合裝甲的侵徹和損傷機(jī)理研究相對(duì)較少，而國內(nèi)在這個(gè)領(lǐng)域的研究也屬空白，這是由于這種裝甲的結(jié)構(gòu)和材料的復(fù)雜性所致。

2 陶瓷裝甲材料介紹

2.1碳化硅基陶瓷復(fù)合裝甲材料

碳化硅陶瓷是一種高性能裝甲材料。其高的動(dòng)態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度，使彈芯在侵徹裝甲板的過程中，產(chǎn)生大的塑性形變，消除彈芯材料，降低彈的動(dòng)能，削弱彈的侵徹能力。但是，目前這類陶瓷復(fù)合裝甲仍不能裝備輕型裝甲戰(zhàn)車，主要原因是:

（1） 價(jià)格太高，高性能碳化硅的價(jià)格在110~220美元/kg之間；

（2） 脆性使陶瓷裝甲系統(tǒng)抗多發(fā)彈攻擊能力差。該陶瓷裝甲遇彈丸撞擊時(shí)發(fā)生碎裂，常常使相鄰陶瓷也發(fā)生破壞，降低整體陶瓷裝甲系統(tǒng)的抗彈能力。為此美國FMC公司采用氮化鋁和碳化硅復(fù)合，成功地解決了上述問題。復(fù)合體系充分利用了氮化鋁的低價(jià)格，因?yàn)榈X的價(jià)格僅為碳化硅的三分之一。而且，加入氮化鋁后，其復(fù)合體系的燒結(jié)溫度降低，這種雙重作用，使之成本價(jià)格相應(yīng)于碳化硅大大下降。另外，通過選用合適的粉末，嚴(yán)格控制燒結(jié)溫度和時(shí)間，可有效地改善復(fù)合體系的微觀結(jié)構(gòu)，提高韌性及抗彈性能。

2.2氧化鋁基陶瓷復(fù)合裝甲材料

氧化鋁陶瓷由于其低價(jià)位，普遍應(yīng)用于裝甲系統(tǒng)，但其強(qiáng)度性能差，有待進(jìn)一步提高。目前，主要是用碳化硅和氧化鋯進(jìn)行增強(qiáng)增韌。有研究表明:碳化硅晶須增強(qiáng)氧化鋁復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為7GPa，楊氏模量為700GPa。而基體的剪切強(qiáng)度和楊氏模量分別為164GPa和426GPa。顯然，增強(qiáng)后楊氏模量提高了60%，其抗熱性能也得到了大大提高。當(dāng)溫差變化大于627℃時(shí)，其抗彎強(qiáng)度沒有大的變化。而基體當(dāng)溫度變化大于127℃時(shí)，強(qiáng)度大大下降，當(dāng)溫度高達(dá)1000℃時(shí)，復(fù)合材料的韌性下降較小。這是因?yàn)檠趸X與碳化硅晶須復(fù)合后，韌性得到提高的結(jié)果。氧化鋯增強(qiáng)氧化鋁主要是通過氧化鋯顆粒的相轉(zhuǎn)換來達(dá)到提高復(fù)合材料韌性的目的。其增強(qiáng)效果略大于碳化硅晶須增強(qiáng)。與碳化硅(晶須)/氧化鋁復(fù)合材料相比，氧化鋯(顆粒)/氧化鋁表現(xiàn)出更優(yōu)良的抗熱沖擊性。

2.3氮化鈦和氮化鋁復(fù)合的裝甲材料

據(jù)1995年資料報(bào)道，美國麻省GTE產(chǎn)品公司，正在對(duì)以氮化鈦為主要原料的復(fù)合陶瓷進(jìn)行研究，即氮化鈦/氮化鋁、氮化鈦/氮化硅、氮化鈦/氧化鋯復(fù)合體系，復(fù)合工藝為低溫?zé)釅夯驘Y(jié)。產(chǎn)品容易成形，適合于制備各種復(fù)雜形狀的陶瓷件。研制的復(fù)合陶瓷楊氏模量大于400GPa，壓縮強(qiáng)度小于5.5GPa，比較適用于厚裝甲體系，以抵抗大口徑鎢及貧鈾彈的攻擊。

3 陶瓷復(fù)合裝甲防護(hù)的發(fā)展方向

復(fù)合裝甲包括兩層含義，一是裝甲用復(fù)合材料制成，二是裝甲采用了復(fù)合結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料種類有很多，有陶瓷類材料，有纖維類材料，還有其它非金屬類材料。復(fù)合結(jié)構(gòu)為在鋼裝甲間夾著按一定比例和厚度配置的陶瓷、鋁合金和纖維等抗彈材料的多層結(jié)構(gòu)，各層材料、厚度、連接方式、細(xì)微結(jié)構(gòu)和形狀等的不同組合可獲得不同的防護(hù)效果。復(fù)合裝甲的特點(diǎn)是由其制作材料及結(jié)構(gòu)形式確定的，而復(fù)合材料及復(fù)合方式是根據(jù)使用要求選定的。例如，T-72坦克的車體首上裝甲是用中間填有玻璃纖維的復(fù)合裝甲制成的，該裝甲對(duì)付破甲彈的效果比較顯著，對(duì)付穿甲彈的效果就不如陶瓷裝甲好。美國MIAI坦克使用的貧鈾復(fù)合裝甲，其中間夾層是用提煉核燃料后的核廢料制成的，該裝甲具有極高的抗穿甲彈性能。

陶瓷復(fù)合裝甲的應(yīng)用使主戰(zhàn)坦克的防護(hù)性能發(fā)生質(zhì)的變化，其防護(hù)能力與裝甲鋼相比成倍提高，例如60年代的主戰(zhàn)坦克的防護(hù)能力相當(dāng)于200mm均質(zhì)裝甲鋼；80年代采用了陶瓷復(fù)合裝甲，其正面防護(hù)分別達(dá)到了400mm(針對(duì)穿甲彈)和600mm(針對(duì)破甲彈)以上；90年代陶瓷復(fù)合裝甲的抗彈能力仍在提高。復(fù)合裝甲的出現(xiàn)使得主戰(zhàn)坦克能夠進(jìn)入21世紀(jì)，復(fù)合裝甲已經(jīng)成為現(xiàn)代主戰(zhàn)坦克的主要標(biāo)志。陶瓷復(fù)合裝甲的廣泛應(yīng)用是與它的特點(diǎn)分不開的，相對(duì)于均質(zhì)裝甲，陶瓷復(fù)合裝甲主要具備如下特點(diǎn):質(zhì)量輕、厚度小、性能可設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)可變、可采用模塊化和箱式設(shè)計(jì)，因此，它的應(yīng)用范圍更廣泛，發(fā)展前景更被看好。

4 結(jié) 語

不同的裝甲材料對(duì)反裝甲武器的攻擊有著不同的反應(yīng)。某種單一均質(zhì)材料構(gòu)成的裝甲通常只對(duì)防護(hù)某種反裝甲武器有效，很難對(duì)各種反裝甲武器都有效。所以，為了能夠同時(shí)防護(hù)不同種類和性能的反裝甲武器，利用不同性能的材料復(fù)合，成為由多種材料構(gòu)成的復(fù)合裝甲，進(jìn)而達(dá)到最佳的綜合抗彈效果。陶瓷復(fù)合裝甲材料將朝著比強(qiáng)度高、防護(hù)系數(shù)高、、抗腐蝕、抗高溫和抗氧化作用的方向發(fā)展，但其固有的易脆、斷裂強(qiáng)度低、難加工和價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，也為應(yīng)用帶來了不便之處。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈峰. 車輛和人體防護(hù)材料的研究進(jìn)展[J]. 兵器材料科學(xué)與工

程， 1999， 22 (6):53-57.

[2] 張自強(qiáng)， 趙寶榮. 裝甲防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京:兵器工業(yè)出版

社， 2000.