防彈陶瓷

高Al2O3和Al2O3-ZrO2陶瓷已成功的應(yīng)用在個人和戰(zhàn)車的裝甲材料。高Al2O3瓷作為防彈、保護(hù)的結(jié)構(gòu)材料是一種新穎的應(yīng)用。美國陶瓷裝甲最初是在20世紀(jì)60年代作為防子彈背心和直升機的底座而發(fā)展起來的。其主要要求是阻止子彈、炮彈的穿透和陶瓷本身重量輕(相對于金屬而言)。

目前，世界各國仍在繼續(xù)發(fā)展，Al2O3防彈陶瓷，其主要應(yīng)用于作戰(zhàn)時個人和戰(zhàn)車、飛機和直升機的關(guān)鍵部分以及地雷爆炸等的防護(hù)。

裝甲Al2O3陶瓷基于Al2O3-SiO2-CaO-MgO和Al2O3-MgO系統(tǒng)，含量為96，97，98，98。ZrO2陶瓷中，Al2O3與ZrO2是具有特殊的比例(Y2O3作為穩(wěn)定劑)。作為主要原料的Al2O3是用已產(chǎn)業(yè)化的超細(xì)粉體，這些Al2O3具有高純度(Al2O3≥99取決于Al2O3的級別，α-Al2O3的含量應(yīng)為95Wt%或更高。

Al2O3粉體的D50和平均晶粒是0.35~01~1.4μm。BET分別是8~11m2/g和2~3㎡/g。而Y2O3的D50和平均晶粒尺寸為8~9m2/g。Al2O3和ZrO2粉體選擇合適的比例和粒度分布，最佳的制造能力，最好的液相燒結(jié)和致密化。

對于所研究的Al2O3陶瓷(96，97，98，98.5，Wt%)的相組成和顯微結(jié)構(gòu)是相似的，主晶相是剛玉，隨著Al2O3含量的提高，剛玉含量也相應(yīng)增加。這些陶瓷中存有少量鈣長石，作為雜質(zhì)在剛玉晶界上也存有微量尖晶石。最終的陶瓷晶粒度取決于原始Al2O3粉體的粒度和分布，由于Al2O3粉體有較小的尺寸，因此，燒結(jié)后的陶瓷具有精細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)，2~4μm和1~3μm，ZrO2-Al2O3陶瓷基于有最佳的比例和部分穩(wěn)定技術(shù)，以使陶瓷有高的性能。該陶瓷不含有玻璃相，<1μm的ZrO2晶粒均勻分布于1~2μm的剛玉晶體之間，很可能在燒結(jié)時ZrO2相阻止了剛玉晶體的長大，形成一種良好的顯微結(jié)構(gòu)。

陶瓷和金屬的防彈機理有很大的不同，金屬是由于塑性變形而吸收射彈的動能，而陶瓷是由于其破裂而吸收射彈的動能。通常，陶瓷裝甲系統(tǒng)是由單片陶瓷或陶瓷-金屬復(fù)合物并覆蓋有高抗張強度有機纖維結(jié)合的尼龍布層所組成(玻璃纖維亦可)。

在子彈的沖擊下(速度>700~800m/s)，陶瓷正面是被破碎而剩余的能量則被反面軟增強(例如尼龍布層)材料所吸收。反面材料必須能支持住子彈沖擊后陶瓷材料的碎片和子彈本身。

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、機械強度等，任何一個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Al2O3陶瓷來說，硬度Hv應(yīng)超過1220~1250。聲音在陶瓷中傳播的速度，表示陶瓷沖擊面上消耗能量的能力，希望有高的聲速，高的聲速也間接表示陶瓷有良好的致密化和低的封閉氣孔。根據(jù)實際經(jīng)驗，Al2O3瓷的聲速應(yīng)大于10000m/s，最好是10500~11500m/s。陶瓷有兩種防彈的類型，即單片陶瓷結(jié)構(gòu)和陶瓷復(fù)合物結(jié)構(gòu)，單片結(jié)構(gòu)陶瓷包括氧化物陶瓷(主要是Al2O3瓷)和非氧化物陶瓷(例如:SiC、Si3N4、AlN和TiB2等)，以及二元系統(tǒng)(例如:B4C-TiB2基陶瓷)。一般來說，非氧化物陶瓷具有更高的物理性能和相對低的密度(除TiB2基陶瓷外)，作為防彈比Al2O3瓷更有利。然而，這些材料制造方法多用價格較貴的熱壓，不易產(chǎn)業(yè)化。但熱壓可提高防彈陶瓷的機械性能，這一點也是明顯的。陶瓷基復(fù)合物具有高的防彈性能，這是因為有高的機械性能，特別是斷裂韌性。在射彈沖擊之后，與單片陶瓷相比，陶瓷基復(fù)合物具有較好的完整性。幾種復(fù)合物陶瓷如下: Al2O3/SiC(w)，Al2O3/SiC(f)，Al2O3/C(f)，TiB2/B4C(p)，TiB2/SiC(p)以及金屬陶瓷(如牌號為LanxideTM)，其組成為滲Ni/(Al)之碳化物，例如:Ni/TiC和Al/B4C(p)，這些材料多數(shù)屬于熱壓，因而價格較貴。雖然防彈陶瓷LanxideTM不是熱壓工藝，但其需要特別的工藝和設(shè)備，因而價格也比較貴。