陶瓷復合裝甲材料的研究和發展

摘 要：陶瓷復合裝甲由于在防護領域的應用背景而引起人們的廣泛關注，本文綜述了陶瓷復合裝甲材料的研究和發展方向。

關鍵詞：陶瓷；裝甲；材料

1 陶瓷裝甲材料的性能

新材料技術在軍事上的用途十分廣泛，可提升武器裝備的性能，在軍事領域新材料技術正向高功能化、復合輕量和智能化的方向發展。陶瓷材料作為一種先進的高技術材料，它具有種高強度、高硬度、耐腐蝕、高耐磨性和重量輕的特點，不僅應用在坦克的防護上，也應用在飛機、艦船、車輛、關鍵部位的防彈遮蔽層和單兵作戰的防護上，它的應用范圍越來越廣泛。實踐表明，世界上許多先進坦克的防護裝甲采用高性能陶瓷后，防護能力明顯提高，陶瓷已經成為復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用的主要原因。目前，改進陶瓷脆性的研究已取得了較大進展，主要的途徑是通過復合，提高陶瓷的強度、韌性。目前對于均質裝甲的侵徹和損傷機理的研究在國內外已經發展成熟，但對于由陶瓷組成的復合裝甲的侵徹和損傷機理研究相對較少，而國內在這個領域的研究也屬空白，這是由于這種裝甲的結構和材料的復雜性所致。

2 陶瓷裝甲材料介紹

2.1碳化硅基陶瓷復合裝甲材料

碳化硅陶瓷是一種高性能裝甲材料。其高的動態壓縮屈服強度，使彈芯在侵徹裝甲板的過程中，產生大的塑性形變，消除彈芯材料，降低彈的動能，削弱彈的侵徹能力。但是，目前這類陶瓷復合裝甲仍不能裝備輕型裝甲戰車，主要原因是:

（1） 價格太高，高性能碳化硅的價格在110~220美元/kg之間；

（2） 脆性使陶瓷裝甲系統抗多發彈攻擊能力差。該陶瓷裝甲遇彈丸撞擊時發生碎裂，常常使相鄰陶瓷也發生破壞，降低整體陶瓷裝甲系統的抗彈能力。為此美國FMC公司采用氮化鋁和碳化硅復合，成功地解決了上述問題。復合體系充分利用了氮化鋁的低價格，因為氮化鋁的價格僅為碳化硅的三分之一。而且，加入氮化鋁后，其復合體系的燒結溫度降低，這種雙重作用，使之成本價格相應于碳化硅大大下降。另外，通過選用合適的粉末，嚴格控制燒結溫度和時間，可有效地改善復合體系的微觀結構，提高韌性及抗彈性能。

2.2氧化鋁基陶瓷復合裝甲材料

氧化鋁陶瓷由于其低價位，普遍應用于裝甲系統，但其強度性能差，有待進一步提高。目前，主要是用碳化硅和氧化鋯進行增強增韌。有研究表明:碳化硅晶須增強氧化鋁復合材料的拉伸強度為7GPa，楊氏模量為700GPa。而基體的剪切強度和楊氏模量分別為164GPa和426GPa。顯然，增強后楊氏模量提高了60%，其抗熱性能也得到了大大提高。當溫差變化大于627℃時，其抗彎強度沒有大的變化。而基體當溫度變化大于127℃時，強度大大下降，當溫度高達1000℃時，復合材料的韌性下降較小。這是因為氧化鋁與碳化硅晶須復合后，韌性得到提高的結果。氧化鋯增強氧化鋁主要是通過氧化鋯顆粒的相轉換來達到提高復合材料韌性的目的。其增強效果略大于碳化硅晶須增強。與碳化硅(晶須)/氧化鋁復合材料相比，氧化鋯(顆粒)/氧化鋁表現出更優良的抗熱沖擊性。

2.3氮化鈦和氮化鋁復合的裝甲材料

據1995年資料報道，美國麻省GTE產品公司，正在對以氮化鈦為主要原料的復合陶瓷進行研究，即氮化鈦/氮化鋁、氮化鈦/氮化硅、氮化鈦/氧化鋯復合體系，復合工藝為低溫熱壓或燒結。產品容易成形，適合于制備各種復雜形狀的陶瓷件。研制的復合陶瓷楊氏模量大于400GPa，壓縮強度小于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 陶瓷復合裝甲防護的發展方向

復合裝甲包括兩層含義，一是裝甲用復合材料制成，二是裝甲采用了復合結構。復合材料種類有很多，有陶瓷類材料，有纖維類材料，還有其它非金屬類材料。復合結構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構，各層材料、厚度、連接方式、細微結構和形狀等的不同組合可獲得不同的防護效果。復合裝甲的特點是由其制作材料及結構形式確定的，而復合材料及復合方式是根據使用要求選定的。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合裝甲制成的，該裝甲對付破甲彈的效果比較顯著，對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。

陶瓷復合裝甲的應用使主戰坦克的防護性能發生質的變化，其防護能力與裝甲鋼相比成倍提高，例如60年代的主戰坦克的防護能力相當于200mm均質裝甲鋼；80年代采用了陶瓷復合裝甲，其正面防護分別達到了400mm(針對穿甲彈)和600mm(針對破甲彈)以上；90年代陶瓷復合裝甲的抗彈能力仍在提高。復合裝甲的出現使得主戰坦克能夠進入21世紀，復合裝甲已經成為現代主戰坦克的主要標志。陶瓷復合裝甲的廣泛應用是與它的特點分不開的，相對于均質裝甲，陶瓷復合裝甲主要具備如下特點:質量輕、厚度小、性能可設計、結構可變、可采用模塊化和箱式設計，因此，它的應用范圍更廣泛，發展前景更被看好。

4 結 語

不同的裝甲材料對反裝甲武器的攻擊有著不同的反應。某種單一均質材料構成的裝甲通常只對防護某種反裝甲武器有效，很難對各種反裝甲武器都有效。所以，為了能夠同時防護不同種類和性能的反裝甲武器，利用不同性能的材料復合，成為由多種材料構成的復合裝甲，進而達到最佳的綜合抗彈效果。陶瓷復合裝甲材料將朝著比強度高、防護系數高、、抗腐蝕、抗高溫和抗氧化作用的方向發展，但其固有的易脆、斷裂強度低、難加工和價格昂貴等缺點，也為應用帶來了不便之處。

參考文獻

[1] 沈峰. 車輛和人體防護材料的研究進展[J]. 兵器材料科學與工

程， 1999， 22 (6):53-57.

[2] 張自強， 趙寶榮. 裝甲防護技術基礎[M]. 北京:兵器工業出版

社， 2000.