復(fù)合陶瓷材料在防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

第第頁復(fù)合陶瓷材料在防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用[摘要]隨著科技的不斷發(fā)展，陶瓷復(fù)合技術(shù)得到了長足的進(jìn)步。復(fù)合陶瓷產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，由于復(fù)合陶瓷材料具有硬度大、抗壓能力強(qiáng)、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，在抗彈防護(hù)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。從國內(nèi)外防護(hù)市場來看，復(fù)合陶瓷材料的防護(hù)產(chǎn)品具有很大的需求和市場潛能。

[關(guān)鍵詞]復(fù)合陶瓷材料；防彈材料；防彈裝甲

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2016.28.079

1引言

陶瓷行業(yè)是一個歷史悠久的行業(yè)，新中國成立以來，尤其是改革開放以來，取得了長足的發(fā)展。陶瓷行業(yè)包括選礦、粉體生產(chǎn)、制品生產(chǎn)、陶瓷制品深加工等工業(yè)鏈。復(fù)合陶瓷制品生產(chǎn)在其中有至關(guān)重要的作用，通過這一過程，大大提高了產(chǎn)品的附加值，由原來的低價出口粉體原料轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r出售制品，經(jīng)濟(jì)效益大幅度提高，技術(shù)含量也大大提升。

2復(fù)合陶瓷產(chǎn)品主要應(yīng)用領(lǐng)域

復(fù)合陶瓷材料的硬度普遍都很高，再加上它具有很好的抗酸堿腐蝕能力和較高的中子吸收能力以及低密度的特點(diǎn)，是防彈材料、摩擦制品、核工業(yè)中子防護(hù)材料等領(lǐng)域重點(diǎn)開發(fā)的內(nèi)容，在軍事、宇航和民用等領(lǐng)域都得到了重要應(yīng)用。復(fù)合陶瓷材料都具有優(yōu)異的綜合性能，是理想的防彈裝甲材料。作為防彈用裝甲材料，復(fù)合陶瓷材料可用于直升機(jī)的輕質(zhì)裝甲、防彈背心等。盡管其價格較高，但對于以減輕重量為必要條件的防彈裝甲系統(tǒng)，復(fù)合陶瓷材料仍是首選材料。

除此之外，復(fù)合陶瓷材料的應(yīng)用主要還有結(jié)構(gòu)材料、電性能、核性能等方面。

3復(fù)合陶瓷產(chǎn)品的現(xiàn)狀與發(fā)展特點(diǎn)

3.1“攔截者”防彈衣系統(tǒng)

2003年，美國陸軍在制造技術(shù)計劃中確定了陶瓷裝甲工藝的研究項目，該項目主要研究如何低成本大量生產(chǎn)“攔截者”防彈衣系統(tǒng)所需的碳化硼（B4C）和滲硅碳化硅（Si/SiC）輕武器防護(hù)插板裝甲。這個項目的參加單位包括美國海軍陸戰(zhàn)隊、美國陸軍士兵與生物化學(xué)司令部、專業(yè)防務(wù)系統(tǒng)公司、Simla公司、Cercom公司（B4C和SiC等先進(jìn)材料制造公司）以及其他的陶瓷制造公司，例如M立方體技術(shù)公司、Ceradyne公司與CoorsTek公司。

通過上述制造技術(shù)項目的努力，到2009年，防彈衣碳化硼裝甲插板的價格從每塊850美元降到525美元，通過改進(jìn)制造工藝，最終以每塊350美元的價格生產(chǎn)出了功能相同的Si/SiC裝甲插板。2002年，Si/SiC裝甲插板的價格又進(jìn)一步降低。這些新型陶瓷裝甲插板與包含“攔截者”防彈衣裝甲在內(nèi)的軟質(zhì)外穿戰(zhàn)術(shù)背心相結(jié)合，使“攔截者”防彈衣的總價格達(dá)到1500～1700美元。雖然這個價格仍然比國防部購買傳統(tǒng)氧化鋁防彈衣的價格高，但是新型防彈衣裝甲插板比傳統(tǒng)氧化鋁防彈衣裝甲插板約減輕35%。

2008年初，美國政府已采購3萬余件新型陶瓷裝甲板，還簽訂了13萬件陶瓷裝甲板的合同。新型陶瓷裝甲板經(jīng)受了戰(zhàn)爭的考驗。例如，美軍士兵首次在阿富汗戰(zhàn)爭中穿戴了“攔截者”防彈衣系統(tǒng)，使他們中的許多人在戰(zhàn)斗中得以幸存。

3.2防彈裝甲

防彈裝甲的最大發(fā)展領(lǐng)域不在防彈衣方面，而是在裝甲車輛上。用于裝甲的陶瓷材料有硬度高、脆性大等特性，因而陶瓷裝甲具有較好的抗彈性能，尤其是對付破甲彈的效果更好。國外主要從事此產(chǎn)品的公司有4個，國內(nèi)至今尚無專業(yè)生產(chǎn)廠?，F(xiàn)將國外的情況介紹如下。

3.2.1Ceradyne公司

在“攔截者”防彈衣系統(tǒng)用的碳化硼和滲硅碳化硅輕武器防護(hù)插板研制成功后，2002―2003年，該裝甲板的訂貨猛增。但在減少重量與成本以及提高抗彈性能方面，陶瓷裝甲仍需進(jìn)一步的改進(jìn)。

Ceradyne公司利用美國陸軍提供的小企業(yè)創(chuàng)新研究基金，正在研究富硼的碳化硼，使碳化硼中的每個碳原子與更多的硼原子化合。因為在燒結(jié)時，硼原子急需與碳原子化合，由于燒結(jié)工具中有豐富的碳原子，硼原子在燒結(jié)時被耗盡，因此難于獲得富硼的碳化硼。然而研究人員發(fā)現(xiàn)，如果在燒結(jié)過程中獲得和保持富硼的碳化硼，將改善其強(qiáng)度和韌性。

Ceradyne公司還在研究強(qiáng)度更高、成本更低的SiC材料。熱壓滲硅碳化硅的強(qiáng)化工藝將提高工具的壽命，降低能源成本，縮短周期時間，獲得更好的裝甲設(shè)計。該公司還希望能在今后若干年內(nèi)推廣輕型陶瓷頭盔。

3.2.2Cercom公司

Cercom公司把大部分研究陶瓷裝甲的精力集中在，通過改進(jìn)背襯材料和更好地控制陶瓷的尺寸來減輕輕武器防護(hù)陶瓷插板的重量，并增加其抗多發(fā)彈丸打擊的性能。該公司已經(jīng)研制出了增強(qiáng)的輕武器防護(hù)陶瓷插板，特點(diǎn)是大大改進(jìn)了在較近距離抗多發(fā)彈丸打擊的能力。但是，用較輕質(zhì)量的陶瓷裝甲對付較大的威脅（例如，狙擊手的射彈和穿甲彈等）的研究工作正在進(jìn)行。

3.2.3CoorsTek公司

CoorsTek公司發(fā)展了輕型防彈衣裝甲板，該裝甲板優(yōu)于氧化鋁材料，可以滿足輕武器防護(hù)陶瓷插板嚴(yán)格的尺寸和形狀要求。該公司繼續(xù)在這一領(lǐng)域從事深入的改進(jìn)研究工作。因為氧化鋁的成本較低，所以這些研究工作可能會增加防彈衣所用氧化鋁陶瓷的需求。

EET1“奧索里約”坦克是巴西恩格薩公司為滿足其陸軍需要，并針對出口市場研制的一種重量較輕的坦克。其裝甲為雙金屬板結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)部位采用了間隙式裝甲，需要時可將陶瓷裝甲插在兩層裝甲板之間?！皢贪湍贰毖b甲由主裝甲、陶瓷裝甲、內(nèi)裝甲板、薄鋼板（或防輻射襯層）組成。“喬巴姆”裝甲是用膠將陶瓷片以蓋瓦方式粘在鋁板上制成的，這說明陶瓷裝甲也可以用來制造復(fù)合裝甲。英國“挑戰(zhàn)者”坦克的炮塔和車體正面60°的弧內(nèi)，以及其側(cè)裙板都采用了“喬巴姆”裝甲與常規(guī)鋼裝甲相配合，使“挑戰(zhàn)者”坦克具有出色的防護(hù)性能。

當(dāng)前，針對輕型裝甲車輛，像美國海軍陸戰(zhàn)隊的先進(jìn)兩棲裝甲突擊車（AAAV），以及未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)（FCS）的許多研究工作都集中在陶瓷材料和裝甲陶瓷上。CoorsTek公司正在研究軍用車輛和飛機(jī)用的裝甲陶瓷產(chǎn)品，該公司研究輕型裝甲車輛項目已有兩個年頭。

3.2.4M立方體技術(shù)公司

M立方體技術(shù)公司最近推出了一種反應(yīng)化合碳化硼新產(chǎn)品，它具有反應(yīng)化合碳化硅產(chǎn)品的全部優(yōu)點(diǎn)。該公司利用反應(yīng)化合工藝，能制造出市場上典型熱壓碳化硼不能制造的形狀和尺寸，將滿足軍方的一些特殊需求。例如，在今后兩三年中，部隊將增加一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)裝甲系統(tǒng)的用量，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的反應(yīng)化合SiC和B4C制件可供該裝甲系統(tǒng)使用。

采用M立方體技術(shù)公司反應(yīng)化合B4C技術(shù)的一件結(jié)構(gòu)直升機(jī)座椅，改進(jìn)了傳統(tǒng)座椅的設(shè)計。傳統(tǒng)座椅的一般制造方法是，首先制造多件陶瓷組件，然后把它們送往軍械裝配廠進(jìn)行組裝。一件結(jié)構(gòu)設(shè)計有助于減輕座椅的重量和減少裝配人力及費(fèi)用。

在B4C大有希望用于車輛之時，研究人員發(fā)現(xiàn)了它在高沖擊壓力作用下出現(xiàn)削弱抗彈性能的非晶化現(xiàn)象。B4C是阻擋低能彈丸，像手槍彈的優(yōu)良材料，但它在非常高的速度和壓力作用下，比如在受較高動能的彈藥沖擊時，晶體結(jié)構(gòu)相變崩潰，形成易于破碎的玻璃態(tài)材料帶，即出現(xiàn)削弱抗彈性能的非晶化現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是約翰斯?霍普金斯大學(xué)和美陸軍研究實(shí)驗室的研究人員最近發(fā)現(xiàn)的，他們破解了非常硬和輕的碳化硼陶瓷突然喪失防護(hù)能力的真正原因。非晶化現(xiàn)象是阻礙碳化硼用于車輛的主要障礙。研究人員希望通過改變晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和添加劑等途徑，研究出新的制造方法，避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象，使碳化硼能夠用于車輛裝甲。

4陶瓷復(fù)合產(chǎn)品國內(nèi)外市場需求

美國、英國、德國、韓國等發(fā)達(dá)國家已將復(fù)合陶瓷材料用于軍工、核電等行業(yè)上。例如美國著名的武裝直升機(jī)AH-64A的防彈裝甲，就使用了復(fù)合陶瓷材料；美國的“攔截者”防彈衣在胸前和后背分別設(shè)置了兩個裝載復(fù)合陶瓷材料防彈陶瓷插板的“大口袋”。而國內(nèi)研制的CEFR堆芯周圍有許多屏蔽層組件，由內(nèi)裝吸收體材料為天然硼的碳化硼圓柱體芯塊的不銹鋼包殼管組成。

國內(nèi)市場上，主要是復(fù)合陶瓷材料的生產(chǎn)與出口，碳化硼陶瓷材料的應(yīng)用還很少，但由于其優(yōu)良的性能，市場潛力非常大。根據(jù)應(yīng)用行業(yè)及復(fù)合陶瓷材料應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以將整個國內(nèi)市場分為以下幾個分市場，如下表所示。

（1）市場范圍廣，應(yīng)用領(lǐng)域多，復(fù)合陶瓷材料具有巨大的市場潛力，其應(yīng)用涉及國防和民用的眾多領(lǐng)域。

（2）國內(nèi)復(fù)合陶瓷材料的應(yīng)用大部分還處于試用階段，市場未被全面開發(fā)，市場潛力較大。

（3）在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，將面臨不同的市場情況，包括不同的客戶和競爭情況。

僅防彈衣一項，根據(jù)美國2010年中國軍力報告顯示，截止到2013年底