装甲防护领域－“氧化铝、碳化硅、碳化硼”华山论剑
陶瓷材料拥有许多极具吸引力的性能，包括高比刚度、高比强度和在许多环境下的化学惰性。同时，因其相对于金属的低密度﹑高硬度和高抗压强度，使其在装甲系统上的应用十分具有吸引力，己成为一种广泛应用于防弹衣、车辆和飞机等装备的防护装甲。国内外现阶段主要使用的特种防弹陶瓷有氧化铝、碳化硅、碳化硼，本文就这三种材料在防弹装甲领域的应用展开讨论。
图1装甲防护领域－装甲车
装甲防护的基本原理是消耗射弹能量、使射弹减速并达到无害。绝大部分传统的工程材料，如金属材料通过结构发生塑性变形来吸收能量，而陶瓷材料则是通过微破碎过程吸收能量，装甲陶瓷的吸能过程可分为3个阶段。
图2 陶瓷材料防弹原理过程
其中，陶瓷材料的抗弹性能主要由以下三方面决定。
1）陶瓷材料的自身硬度及抗压强度。
2）陶瓷的断裂韧性。
（1）氧化铝
氧化铝陶瓷是以高温氧化铝（α-Al2O3）为主晶相的一系列陶瓷材料，而α-Al2O3是自然界中唯一存在的Al2O3变体，是所有变体中结构最紧密、活性最低、电化学性质最好的晶相，在所有温度下都能稳定存在。
图3 α-Al2O3密堆积的结构示意图
表1 氧化铝性能
优点：作为防弹领域的第一代陶瓷，氧化铝不仅是所有氧化物当中强度最大、硬度最高的﹐同时还具有良好的抗氧化性和化学惰性以及成本低，容易获得等优点。此外烧结制品因其表面光洁、尺寸稳定、价格低廉，而被广泛应用于各类装甲车辆和军警防弹服等。
缺点：低弯曲强度和断裂韧性，抗热震性较低。此外，氧化铝的性能变化很大，主要取决于工艺参数、杂质含量、粒度和烧结温度。同时氧化铝的密度高，不能满足装甲领域向轻型化方向发展。
应用：
图4 氧化铝陶瓷材料装甲防护应用
图5 采用氧化铝陶瓷材料的T-64坦克
（2）碳化硅
SiC具有比较独特的晶体结构。以四个碳原子中的某一原子作为中心，硅原子作为配对原子将四个最外层电子，选择其中一个电子与中心碳原子最外层的其中一个电子配对。依次循环操作，其最终结构相当于将硅－碳键组成的结构视为单一点阵，称为金刚石四面体结构，这类结构展现了极高的硬度。同时此结构存在很强的共价键与很高的Si-C键能，从而使得碳化硅材料具备高模量值、高硬度和高比强度的特性。
图6 常见的三种SiC晶体结构示意图
表二 不同烧结工艺下碳化硅性能
优点：是应用最广泛的非氧化物陶瓷，硬度高，仅次于钻石、立方氮化硼和碳化硼。由于其低密度和高硬度，这种陶瓷非常适合弹道保护，同时在力学性能、密度性能和弹道性能以及应用的成本等方面都是氧化铝和碳化硼之间的中间地带。
应用：
图7 碳化硅陶瓷材料装甲防护应用
图8 采用碳化硅陶瓷材料的以色列梅卡瓦坦克和SA330美洲豹直升机
（3）碳化硼
B4C晶体属于菱面体结构类型，其菱面体结构中，每个单位晶胞共含有15个原子，其中12个原子（B11C）构成了二十面体，形成一个空间立体结构，而剩下的三个原子则相互组合构成一个C-B-C链。二十面体通过共价键与C-B-C链相连形成一个较为稳定的结构。同时其构成元素碳元素和硼元素性质和原子半径非常相似，造成B4C拥有一些其他非氧化物没有的优异性能。
图9 B4C的晶体结构
表三 不同烧结工艺下碳化硼性能
优点：近于恒定的高温硬度以及良好的力学性能，同时，密度在几种常用装甲陶瓷中最低，加上弹性模量较高，使其成为军事装甲和空间领域材料方面的良好选择。
缺点：由于硼原子和碳原子之间的共价键的高度共价性，其烧结性较差。因此，有必要使用非常接近材料熔点的高烧结温度。这些高温导致残余孔隙和随后的晶粒间距，从而恶化材料的性能和性能。因此，通常使用热压或热等静压烧结，这会导致更高的制造成本。
应用：
图10 碳化硼陶瓷材料装甲防护应用
从图12各制备工艺的特点可以发现，目前发展较为成熟的工艺是反应烧结、无压烧结和液相烧结，像热压烧结和热等静压烧结由于受到成熟性较低，生产成本较高，产品尺寸的限制等缺点而受限；对于超高压烧结、微波烧结、放电等离子烧结和等离子束熔融法这几种制备工艺，虽然是较为新颖的制备手段，但成熟性最低，同时对于技术和设备的要求较高，需要投入的生产费用高，实现批量化的可行性较低，对实际应用意义不大。
自21世纪以来，防弹陶瓷发展迅速，其中以氧化铝陶瓷（Al2O3）、碳化硅陶瓷（SiC）、碳化硼陶瓷（B4C）应用最广。由图12可以看出，这3种陶瓷均为高弹性模量的材料，但断裂韧性普遍较低，且碳化硅和碳化硼材料价格为氧化铝材料的近乎10倍。综合前面各陶瓷材料的优缺点，氧化铝由于密度最高，低弯曲强度和断裂韧性而受到了必要的限制。但是价格低廉，工艺成熟仍然是其最大优势；碳化硼则存在制造成本和原材料成本高，同时抗多次打击的效率低，但密度低是其显著优点；对碳化硅而言，其在机械性能、密度和防弹性能以及应用成本方面都介于氧化铝和碳化硼之间，性价比最高，因此已成为现有最有应用前途的防弹陶瓷材料之一。
图13各防弹陶瓷的性能对比
总结：
总体而言，防弹陶瓷需要考虑防弹性能、质量（面密度）、成本这3种因素，在不同的条件下，应根据不同的防护要求，在防弹性能、质量以及成本之间达到一种平衡，即在满足防弹性能的前提下，使质量与成本更低，才能更好地满足需要。与此同时单相陶瓷断裂韧性、脆性差的问题也不容忽视。近年来专家学者们通过微观调节包括多元陶瓷体系复合、功能梯度陶瓷、层状结构设计等来实现陶瓷的强韧化、轻量化和经济化，并且这样的护甲相对于如今的装甲重量轻，更好地提高了作战单位的机动性能。
参考文献：
1、防弹装甲中的陶瓷材料吴燕平
2、防弹陶瓷的烧结工艺及发展现状 罗娟等
3、碳化硅抗弹陶瓷的研究进展及在装甲防护领域的应用魏汝斌等
4、碳化硼陶瓷的烧结与应用新进展 杨亮亮等
5、Reviewof ballistic performance of alumina: Comparison of aluminawithsilicon carbide and boron carbide M.S.Boldin
作者：晴天