陶瓷復(fù)合裝甲材料研究和發(fā)展

康永柴秀娟K ANG YongCHAI X iu-juan

1、陜西金泰氯堿化工有限公司技術(shù)中心 榆林 718100 2、陜西金泰氯堿化工有限公司 榆林 718100

陶瓷復(fù)合裝甲材料研究和發(fā)展

康永1柴秀娟2K ANG Yong1CHAI X iu-juan2

1、陜西金泰氯堿化工有限公司技術(shù)中心 榆林 718100 2、陜西金泰氯堿化工有限公司 榆林 718100

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)合裝甲的研究和發(fā)展方向。

陶瓷；裝甲；材料；

新材料技術(shù)在軍事上的用途也是十分廣泛的，用于武器裝備可使其升級(jí)換代，性能大大提高，目前在軍事領(lǐng)域里新材料技術(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)，它不僅應(yīng)用在坦克的防護(hù)上，而且也應(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(lái)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、抗彈性能降低價(jià)格，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，提高材料的使用可靠性。裝甲防護(hù)的發(fā)展史也可以看成是“甲”與“彈”的斗爭(zhēng)史，這種“矛”與“盾”的發(fā)展是相互并行的。人們?cè)谑种匾曆兄菩碌膬?yōu)質(zhì)抗彈陶瓷的同時(shí)，也需要對(duì)陶瓷復(fù)合裝甲的侵徹機(jī)理和抗彈機(jī)理進(jìn)行研究;目前對(duì)于均質(zhì)裝甲的侵徹和損傷機(jī)理的研究在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展成熟，而對(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(guó)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。

1、陶瓷裝甲材料研究方向

陶瓷復(fù)合裝甲作為現(xiàn)代裝甲防護(hù)中的一種，是為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要而發(fā)展起來(lái)的，陶瓷的性能直接影響著復(fù)合裝甲抗彈性的好壞。陶瓷材料具有硬度高和高抗壓強(qiáng)度等特性，因而陶瓷裝甲具有較好的抗彈性能，尤其是對(duì)付動(dòng)能穿甲彈和破甲彈的效果更好[2]。但它的缺點(diǎn)是脆性大，不易加工。

1.1 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)車的兩個(gè)主要原因是:（1）價(jià)格太昂，高性能碳化硅的價(jià)格在110-220美元/千克之間。（2）脆性使其陶瓷裝甲系統(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(guó)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。

1.2 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錯(cuò)進(jìn)行增強(qiáng)增韌。有研究結(jié)果表明:碳化硅晶須增強(qiáng)氧化鋁復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為7千兆帕，楊氏模量為700千兆帕。而基體的剪切強(qiáng)度和楊氏模量分別為164千兆和426千兆帕。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。氧化錯(cuò)增強(qiáng)氧化鋁主要是通過氧化錯(cuò)顆粒的相轉(zhuǎn)換來(lái)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，氧化錯(cuò)(顆粒)/氧化鋁表現(xiàn)出更優(yōu)良的抗熱沖擊性。

1.3 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(guó)麻省GTE產(chǎn)品公司，正在對(duì)以氮化欽為主要原料的復(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/氧化錯(cuò)復(fù)合體系。復(fù)合工藝為低溫?zé)釅夯驘Y(jié)。產(chǎn)品容易成型，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400千兆帕。壓縮強(qiáng)度小于5.5千兆帕。此復(fù)合材料比較適用于厚裝甲體系，以抵抗大口徑鎢及貧鈾彈的攻擊。

2、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(guó)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。目前陶瓷復(fù)合裝甲正朝著應(yīng)用更廣泛、制造和安裝更為方便、結(jié)構(gòu)更輕質(zhì)的方向發(fā)展。

3、總結(jié)

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。未來(lái)隨著科技和形勢(shì)需要陶瓷復(fù)合裝甲材料必然朝著比強(qiáng)度高，防護(hù)系數(shù)高于均質(zhì)裝甲鋼，同時(shí)具有抗腐蝕、抗高溫和抗氧化作用的方向發(fā)展，但其同時(shí)存在易脆，斷裂強(qiáng)度低，難加工和價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)也為其科研和應(yīng)用帶來(lái)了不便之處。

THE RESEARCH&DEVELOPMENT OF CERAMIC COMPOSITE AMOUR MATERIALS

1、The Research Center of S haanxi J intai C hlor-alkali C hemical C o.,LTD.Yulin 718100 C hina; 2、Shaanxi J intai C hlor-alkali C hemical Co.,LTD.Yulin 718100 China；

During the past years a great deal of interest has been devoted to the study of ceramic composite armor due to the application in defense.The research and development orientations of ceramic composite armor materials was summarized in this paper.

ceramic；armor；materials；