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人体装甲用碳化硼防弹陶瓷有哪些挑战和发展方向?
日期:2022-11-21    浏览次数:
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人体防护装备主要包括防弹衣(防弹插板)、防弹头盔和防弹盾牌等,不断提高其轻量化防护能力,是单兵装备发展的永恒主题。其中,防弹背心和防弹头盔由抗弹纤维复合材料制备而成,主要用于防御侵彻力较低的手枪弹和破片。面对高杀伤力的步枪弹等威胁时,需要装备由抗弹陶瓷/纤维复合材料为基本防护结构的防弹插板和防弹盾牌,尽可能满足高强度、高耐磨、高硬度和低密度,即“三高一低”的要求。

人体装甲用碳化硼防弹陶瓷有哪些挑战和发展方向?

目前已在人体防护装备上获得推广应用的几种抗弹陶瓷对比之下,他碳化硼(B4C)陶瓷硬度最高、密度最低,性能上是最理想的装甲陶瓷材料。随着人体防护装备对轻量化、高防护应用需求的日益迫切和B4C陶瓷产业化的顺利推广,B4C 已作为制备防弹衣插板的主流陶瓷材料之一获得应用。作为防弹衣的加强防护组件,

现役防弹插板由B4C陶瓷板和超高分子量聚乙烯纤维复合材料板复合而成,其基本防护原理为:利用B4C抗弹陶瓷钝化、磨蚀弹丸,然后利用纤维复合材料吸收残余冲击动能。根据应用环境和防护需求的不同,B4C陶瓷插板分为多曲面整体式陶瓷板单曲面小块陶瓷拼接板两种。

常用防弹陶瓷及其基本性能

人体装甲用碳化硼防弹陶瓷有哪些挑战和发展方向?

B4C弹陶瓷烧结工艺

致密的微观结构是陶瓷发挥优异力学性能和抗弹性能的根本保证。然而,由于硼原子和碳原子之间的电负性差异很小,会形成很强的共价键,造成B4C陶瓷中共价键的比例高达94%,远高于Al2O3陶瓷中共价键的比例33%和SiC陶瓷中共价键的比例88%,加之B4C陶瓷高熔点、高蒸汽压、低自扩散系数的特性,严重阻碍其致密化进程,使得B4C的烧结异常困难,以下将简单介绍几种烧结工艺的优缺点。

几种主要B4C陶瓷烧结工艺特点

人体装甲用碳化硼防弹陶瓷有哪些挑战和发展方向?

除以上工艺外,超高压烧结工艺、等离子束熔融工艺等烧结方法也能得到性能优异的陶瓷制品,但由于工艺复杂、设备和技术要求高等原因,目前未实现工业化生产。

B4C弹陶瓷的性能改善方法

1. 采用合适的烧结助剂

B4C陶瓷烧结助剂的作用机理可概括为:

(1)除去B4C粉体颗粒表面的氧化层,从而提高粉体表面能,并抑制晶粒的异常生长;

(2)引入3价离子来取代碳,从而导致电子缺位和空隙,以及提高点缺陷或位错密度来提高晶界和体积扩散的活化作用;

(3)加入熔点相对较低,且能与B4C形成较好润湿性的添加剂,从而通过烧结过程中形成的液相来提供物质迁移的快速通道。

B4C陶瓷常用烧结助剂

人体装甲用碳化硼防弹陶瓷有哪些挑战和发展方向? 

近年来,为协同提高陶瓷强度、韧性、硬度等多种力学性能参数,人们对复合烧结助剂的应用研究越来越广泛,碳+金属氧化物、碳+金属、金属+金属、硼+碳化物、硼+硼化物等多种复合助剂体系研究都取得了良好的应用效果。可以预见,对陶瓷成分的精细设计、混料工艺的创新途径和微观结构的精确调控研究将成为陶瓷性能进一步提升的重要发展方向。

2.B4C防弹陶瓷增韧技术

尽管B4C陶瓷具备高硬度、高强度和低密度等优点,但是其较低的韧性严重地影响了其抗多发弹性能。通过对B4C陶瓷进行增韧可以延长弹丸撞击陶瓷材料的断裂时间,从而提高其断裂耗能和抗弹阻力,使弹丸被陶瓷磨蚀和犁削程度增强。

人体装甲用碳化硼防弹陶瓷有哪些挑战和发展方向?

陶瓷材料韧性差是由于材料在断裂时主裂纹以平直方式延伸,裂纹扩展路径短,断裂产生的表面能和裂纹扩展功也小。因此,加大裂纹路径,提高裂纹扩展能

可以实现陶瓷材料的增韧。B4C的强韧化可以通过控制材料显微结构和使裂纹钉扎、偏转、弯曲及第二相桥联、应力诱导微裂纹、相变等多种方式实现。

(1)晶粒细化增韧

通过控制晶粒形状、晶粒尺寸、气孔率、气孔尺寸与分布及晶界特性等显微结构,能显著提高材料的断裂性能。晶粒越细小、材料晶界越多、晶体缺陷密度越低,陶瓷断裂时裂纹沿着晶界扩展的路径就越长,裂纹转向次数就越多,从而阻滞裂纹的扩展,起到增韧效果。

(2)第二相复合增韧

第二相增韧可以分为颗粒增韧纤维(晶须)补强增韧

颗粒的增韧机理主要有微裂纹增韧、裂纹偏转增韧以及促使断裂方式由穿晶断裂向沿晶断裂转变。通过金属以及金属间化合物颗粒、过渡金属碳化物颗粒、碳以及碳化物颗粒、硼化物颗粒等均能在不同程度上提高B4C陶瓷的韧性。当增韧粒子为纳米粒子时,弥散在基体晶内和晶间的纳米颗粒可以起到良好的强韧化效果。

纤维(晶须)补强增韧机理主要是裂纹偏转增韧、桥联增韧、拔出效应。通过纤维对陶瓷材料进行增韧补强时,需特别注意从纤维与基体的化学相容性和热物理相容性方面,进行界面相容性设计。SiC、C、Si3N4、B4C、Al2O3等纤维被广泛运用以提高材料的韧性和强度,相关的连续纤维増强陶瓷已经得到实际应用。

(3)层状结构

近年来,对于装甲陶瓷等脆性材料的增韧补强,除了传统的强韧化技术途径,层状结构或仿生层状结构材料同样受到广泛关注。

仿生层状结构

仿生层状结构

层状复合陶瓷是在脆性的陶瓷层间加入不同材质的较软或较韧的材料层通常称之为软层、夹层或界面层制成,这种结构的材料在应力场中是一种能量耗散结构,能克服陶瓷突发性断裂的致命缺点,因而能够使陶瓷材料的韧性大大提高。

总结

尽管B4C陶瓷以优异的“三高一低”特性表现出成为人体防护装备用主流防弹陶瓷材料的趋势,但其成本高和韧性差的缺点也一直制约其产业化推广应用。另一方面,由于非氧化物陶瓷表面活性较差,与同属惰性材料的超高分子量聚乙烯纤维复合后,制备的防弹插板界面粘接性能不佳,中弹后陶瓷/纤维界面易造成大幅脱粘,纤维复合材料板无法进一步传递冲击载荷,造成B4C防弹插板抗多发弹能力不足,相同厚度下其抗弹性能甚至不及 Al2O3防弹插板。因此,除了聚焦于 B4C陶瓷力学性能和韧性的提高,对提高其表面活性的研究也应予以重视,针对人体防护装备对高性能、轻量化、低成本化防弹陶瓷的应用需求继续深入探索。


参考来源:

1.人体防护装备用碳化硼抗弹陶瓷应用探析,魏汝斌、董彬、王小伟、张文婷、刘欣、杜亚媚、翟文(兵工学报);

2.防弹装甲中的陶瓷材料,吴燕平、燕青芝(兵器材料科学与工程);

3.碳化硼陶瓷的烧结与应用新进展,杨亮亮、谢志鹏、刘维良(陶瓷学报);

4.防弹装甲用碳化硼陶瓷材料的研究进展,黄明、曹峰、彭志航(现代技术陶瓷)。


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