碳化硼陶瓷防彈機(jī)理及應(yīng)用

碳化硼陶瓷分子式B4C，呈現(xiàn)黑灰色，是一種主晶相陶瓷，屬六方晶系。碳化硼陶瓷的密度不高，僅為2.52g/cm3，但是它的硬度則達(dá)到了維氏硬度49.5GPa，它的熔點(diǎn)更是達(dá)到了2450攝氏度。目前已知自然界中，碳化硼陶瓷的硬度排在第三，比它更堅(jiān)硬的還有立方氮化硼和金剛石。碳化硼陶瓷尤其是熱壓燒結(jié)的碳化硼陶瓷具有它較大的熱中子俘獲截面，因此也常常用它來吸收中子，這也是很多核反應(yīng)堆中經(jīng)常要使用它的原因。。碳化硼陶瓷的用途較廣，可以用它來加工車刀、鑄模、陶瓷、寶石等，一些噴砂嘴也是用它來制造的。本次我們要重點(diǎn)來看看它在防彈領(lǐng)域的一些技術(shù)知識(shí)以及應(yīng)用情況。
陶瓷防護(hù)裝甲的機(jī)理
炮彈或其他彈藥以高速撞擊到防彈材料表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的沖擊波，當(dāng)這種沖擊波傳播到陶瓷與聚合物黏合層的分界面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉抻作用以及剪切作用，使陶瓷層和聚合物粘合層造成破壞。在這兩種力的作用下，陶瓷層與襯層分離。與此同時(shí)，彈頭和彈藥破片受壓而碎裂，形成圓錐形的碎裂區(qū)。正是由于陶瓷具有硬度高的優(yōu)點(diǎn)，才會(huì)將彈頭和彈藥破片的沖擊波能量分解到一個(gè)較大的防護(hù)面積；從而有效阻止彈頭和彈藥破片，保護(hù)人員的重要部位。

碳化硼陶瓷防彈裝甲

2.陶瓷防護(hù)裝甲的要求
武裝防彈陶瓷要求的性能較多，例如：密度和氣孔率、硬度、斷裂韌性、楊氏模量、聲速、機(jī)械強(qiáng)度等，任何一個(gè)性能都不能與整體防彈性能有直接和決定性的關(guān)系，因而斷裂機(jī)理十分復(fù)雜，裂紋形成是由許多因素引起的，而且發(fā)生的時(shí)間十分短暫。
防彈陶瓷的氣孔率應(yīng)盡量低，以提高硬度和楊氏模量，對(duì)Al2O3瓷來說，其氣孔率應(yīng)接近于零，而吸水率不超過0.02%。
陶瓷的硬度要求很高，應(yīng)高于飛行彈頭的硬度，對(duì)Al2O3陶瓷來說，硬度Hv應(yīng)超過12.2～12.5GPa。
高的聲速，一般通過聲音在陶瓷中傳播速度來表征陶瓷沖擊面上消耗能量的能力，高的聲速表示陶瓷有良好的致密化和低的封閉氣孔。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，Al2O3瓷的聲速應(yīng)大于10000m/s，最好是10500～11500m/s。
 3.陶瓷防護(hù)裝甲的類型
陶瓷防護(hù)裝甲一般有兩種防彈類型，主要為單片陶瓷結(jié)構(gòu)和復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)。
單片結(jié)構(gòu)陶瓷包括氧化物陶瓷(主要是Al2O3)和非氧化物陶瓷(例如：B4C、SiC、Si3N4、AlN和TiB2等)，以及二元系統(tǒng)(例如：B4C-TiB2基復(fù)合陶瓷)。一般來說，非氧化物陶瓷具有更高的物理性能和相對(duì)低的密度（除TiB2基陶瓷外），作為防彈比Al2O3更有利。然而這些材料制造方法多用價(jià)格較貴的熱壓，不易產(chǎn)業(yè)化。但熱壓可提高防彈陶瓷的機(jī)械性能，這一點(diǎn)也是明顯的。
復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)具有高的防彈性能，其具有更高的斷裂韌性。在射彈沖擊之后，與單片陶瓷相比，復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)具有較好的完整性。幾種復(fù)合陶瓷如下：Al2O3/SiCw、Al2O3/SiCf、Al2O3/Cf、TiB2/B4Cp、TiB2/SiCp以及金屬陶瓷，這些復(fù)合陶瓷需要特別的工藝和設(shè)備，因而價(jià)格也比較貴。
 4.碳化硼(B4C)陶瓷裝甲
相對(duì)于其他陶瓷材料體系，B4C陶瓷具有低密度（2.52g/cm3）、超高的硬度（維氏硬度36GPa）的優(yōu)越特性，目前主要用于某些對(duì)防護(hù)性能有更高要求的特殊場(chǎng)合，如美軍的V22“魚鷹”旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)的機(jī)組人員座椅。另外，英軍使用的增強(qiáng)型人體護(hù)甲（EBA）也采用了B4C陶瓷，其可以防御12.7mm鋼芯穿甲彈。EBA里面還有一層“鈍傷”防護(hù)層，在陶瓷受到?jīng)_擊但沒有被穿透、襯層發(fā)生變形時(shí)保護(hù)人體免受鈍傷，從而保護(hù)人體重要器官不受傷害。英國(guó)BAE系統(tǒng)公司先進(jìn)陶瓷分公司就生產(chǎn)B4C陶瓷，并且已經(jīng)用作美軍“攔截者”防彈衣的防護(hù)插板。

目前中國(guó)武直-10開始安裝了B4C陶瓷防彈板。該陶瓷板應(yīng)該與先前巴陸軍測(cè)試的Z-10P上的陶瓷板相同，位于飛行員雙肩處，型號(hào)為ZJYP1-9110-200，據(jù)研判可抗12.7mm彈的沖擊，平時(shí)不用時(shí)可以放下。防彈陶瓷板的曝光證明武直-10的防護(hù)能力比原先估計(jì)的要更強(qiáng)大，相信武直-10K也應(yīng)該有同樣的配置。
圖3武直-10碳化硼陶瓷防護(hù)裝甲 
5.碳化硼陶瓷粉體細(xì)度對(duì)力學(xué)性能的影響
根據(jù)陶瓷學(xué)的基本原理我們知道，陶瓷制品生產(chǎn)中所使用的粉體原料粒徑越小、分布越窄，越有利于降低陶瓷的燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)所需時(shí)間，從而得到晶粒細(xì)小的陶瓷制品，這就能獲得優(yōu)異的力學(xué)性能及其他綜合性能。所以，對(duì)于碳化硼制品生產(chǎn)廠家來說，選擇碳化硼超細(xì)粉體進(jìn)行制品生產(chǎn)，能從當(dāng)前主要的熱壓燒結(jié)工藝改為無壓燒結(jié)工藝，不但能降低生產(chǎn)成本，還能降低廢品率并提高制品性能，有利于廠家自己技術(shù)與產(chǎn)品升級(jí)，提高產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。