隨著反裝甲武器彈藥毀傷能力的不斷提高，具有高強度、高硬度、低密度、耐腐蝕、高耐磨等特點的特種陶瓷材料被廣泛應(yīng)用在坦克裝甲車輛等軍用武器裝甲平臺及警、民用特種防護工程中，并以較高的防穿、破甲防護系數(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用，特種陶瓷已成為現(xiàn)役復(fù)合裝甲系統(tǒng)不可缺少的材料之一。目前，已工程化應(yīng)用的抗彈陶瓷主要有氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、碳化硼、氮化鋁、氮化硅、硼化鈦等。其中，碳化硅是近年來國內(nèi)外應(yīng)用研究較多的陶瓷材料，將碳化硅用作裝甲材料是近年來國內(nèi)外研究的熱點。碳化硅由Si-C 四面體堆積而成，具有α和β兩種晶型，在溫度低于1 600 ℃時，SiC以β-SiC形式存在。當(dāng)高于1 600 ℃時，β-SiC 緩慢轉(zhuǎn)變成α-SiC 的各種多型體。碳化硅共價鍵極強，在高溫下仍具有高強度的鍵合，這種結(jié)構(gòu)特點賦予了碳化硅陶瓷優(yōu)異的強度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、高熱導(dǎo)率、良好的抗熱震性等性能，同時碳化硅陶瓷價格適中，性價比高，被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅苎b甲防護材料之一。

    1 研究進展

    1.1 碳化硅陶瓷的成型方法

    碳化硅陶瓷常用的成型方法有模壓成型、注漿成型、冷等靜壓成型、凝膠注模成型等。模壓成型是目前碳化硅陶瓷制品最常用的成型方法，其工藝簡單、操作方便、生產(chǎn)效率高，有利于連續(xù)生產(chǎn)；注漿成型適應(yīng)性強，能夠得到各種形狀、結(jié)構(gòu)的坯體，在制備碳化硅陶瓷異形件時發(fā)揮著不可替代的作用；冷等靜壓成型得到的坯體受力均勻、密度分布均一，產(chǎn)品性能有很大提高，已逐步成為高性能碳化硅制品通用的成型方法；而凝膠注模成型技術(shù)是一種新型近凈尺寸成型方法，坯體結(jié)構(gòu)均勻，強度較高，可對坯體進行各種機械加工，減少燒結(jié)后加工費用，適于制備形狀復(fù)雜的陶瓷制品。

    1.2 碳化硅陶瓷的燒結(jié)工藝與性能

    近年由于技術(shù)的發(fā)展，裝甲防護材料對高性能碳化硅陶瓷的需求也增加。由于碳化硅是一種典型的共價鍵化合物，加上它的擴散系數(shù)低，很難用常規(guī)的燒結(jié)方法來致密化。因此，需通過添加一些燒結(jié)助劑以降低表面能或增加表面積以及采用特殊工藝來獲得致密的碳化硅陶瓷。目前，碳化硅陶瓷的燒結(jié)工藝包括反應(yīng)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、無壓燒結(jié)及熱等靜壓燒結(jié)等。

    反應(yīng)燒結(jié)是一種近凈尺寸制造技術(shù)，其工藝簡單，成本較低，可以在1 450~1 600 ℃的較低溫度與較短的時間內(nèi)通過滲硅反應(yīng)實現(xiàn)碳化硅的燒結(jié)，可以制備大尺寸、形狀復(fù)雜的部件。但是，由于滲硅反應(yīng)燒結(jié)固有的缺陷，使得碳化硅中不可避免存在8%~12%的游離硅，從而降低材料的高溫力學(xué)性能、耐腐蝕性及抗氧化性能，使用溫度也限制在1 350 ℃以下。國外在20世紀(jì)90年代開始推出高性能硅/碳化硅材料。西安交通大學(xué)在科技部“九五”科技攻關(guān)項目的支持下，完成了相關(guān)工藝技術(shù)研究，開發(fā)出高性能硅/碳化硅材料，西安天健工程陶瓷有限公司使用該技術(shù)已經(jīng)基本完成了中間試驗工作，可小批量供應(yīng)有關(guān)產(chǎn)品。國內(nèi)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷生產(chǎn)廠家主要有濰坊華美、寧波伏爾肯、山東寶納、浙江賽科等公司，產(chǎn)品體積密度一般為3.05 g/cm3，彎曲強度為250~320 MPa，彈性模量為330GPa。國外反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷生產(chǎn)商有英國REFEL，德國Ceram Tec，日本旭硝子，日本Pacific Run-dum等，其中，英國REFEL公司的碳化硅產(chǎn)品性能優(yōu)于國內(nèi)，而其他廠商的產(chǎn)品性能與國內(nèi)差距不大。

    熱壓燒結(jié)是將干燥的碳化硅粉料充填入模型內(nèi)，從單軸方向邊加壓邊加熱，使成型和燒結(jié)同時完成的一種燒結(jié)方法。由于加熱加壓同時進行，粉料處于熱塑性狀態(tài)，有助于顆粒的接觸擴散、流動傳質(zhì)過程的進行，能降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時間，得到晶粒細(xì)小、相對密度高和力學(xué)性能良好的碳化硅陶瓷產(chǎn)品。采用亞微米級碳化硅微粉，添加合適的燒結(jié)助劑，可在1 800~1 900 ℃制備出性能優(yōu)異的碳化硅陶瓷。熱壓燒結(jié)的缺點是工藝較復(fù)雜，對模具材料和設(shè)備要求高，生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)成本高，而且只能制備形狀較為簡單的產(chǎn)品。

    無壓燒結(jié)碳化硅制品高溫性能優(yōu)異、燒結(jié)工藝簡單、成本較低，適用的成形方法較多，可用于形狀復(fù)雜和厚大零件，也適合大批量工業(yè)化生產(chǎn)，已成為制備碳化硅陶瓷的重要方法。按照燒結(jié)助劑種類和燒結(jié)機理的不同，無壓燒結(jié)可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩類。

    固相燒結(jié)的碳化硅陶瓷，多以B、C為燒結(jié)助劑，燒結(jié)密度可達理論密度的96%~98%，晶界較為“干凈”，基本無液相存在，因燒結(jié)溫度通常高達2 100~2 200 ℃，晶粒容易異常生長，材料斷裂時呈穿晶斷裂，強度與斷裂韌性值都不高，在300~450 MPa、3.5~4.5 MPa·m1/2之間。但其高溫強度并不隨溫度的升高而變化，一般能用到1 600 ℃，強度不發(fā)生變化。近年迅速發(fā)展的碳化硅液相燒結(jié)工藝，大大降低了燒結(jié)溫度，在添加Al、Y等燒結(jié)助劑后，碳化硅陶瓷的燒結(jié)溫度可降至1 700~2 050 ℃。因燒結(jié)溫度不高，碳化硅晶粒在燒結(jié)過程生長不快，比固相燒結(jié)的小得多，從而使其強度韌性幾乎成倍增加，韌性最高可達10 MPa·m1/2。

    國內(nèi)寧波伏爾肯、揚州三山、山東寶納等公司生產(chǎn)的無壓燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品的維氏硬度可達26 GPa，抗彎強度為400 MPa，彈性模量為380~410 GPa。國外無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷的生產(chǎn)商主要有德國CeramTec、荷蘭ESK-SIC、日本京都陶瓷、日本旭硝子、法國Saint-Gobain 等公司。其中，Saint-Gobain 公司生產(chǎn)的Hexoloy燒結(jié)碳化硅，空隙度低，理論密度不低于98％，晶粒尺寸為4~10 μm，彎曲強度為550 MPa，由于不含游離硅，因而具有高耐腐蝕性、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)，被認(rèn)為是抗下一代威脅的理想材料。

    近年來，科研工作者又將一些新型燒結(jié)方法應(yīng)用到碳化硅陶瓷的生產(chǎn)中，如熱等靜壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等，得到的制品性能優(yōu)異，但因工藝復(fù)雜、成本較高等原因，還未能工業(yè)化應(yīng)用。不同燒結(jié)方法得到的碳化硅陶瓷的性能比較，見表1。

    表1 碳化硅陶瓷燒結(jié)方法及性能比較

    2 在裝甲防護領(lǐng)域的應(yīng)用

    碳化硅陶瓷具有優(yōu)異的抗彈性能，在現(xiàn)有的特種陶瓷材料體系中，性價比優(yōu)勢明顯，被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅芊缽椦b甲材料之一，近年來在單兵裝備、陸軍裝甲武器平臺、武裝直升機及警、民用特種車輛等裝甲防護領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

    2.1 碳化硅陶瓷在單兵裝備領(lǐng)域中的應(yīng)用

    高性能碳化硅陶瓷與超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維復(fù)合材料復(fù)合制備的防彈衣用插板產(chǎn)品質(zhì)量輕，防護級別高且性能穩(wěn)定，滿足美國司法部NIJ0101.06 標(biāo)準(zhǔn)、中國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 4300—2002 及中國公安部GA 141—2010標(biāo)準(zhǔn)，與同級別氧化鋁陶瓷復(fù)合制品相比，質(zhì)量減輕20％以上，大大減輕了單兵裝備質(zhì)量。以碳化硅陶瓷和超高分子量聚乙烯纖維UD布復(fù)合板制備的防彈盾牌、單兵掩體等產(chǎn)品，質(zhì)輕高效，提高了裝備的應(yīng)用效能，已廣泛應(yīng)用于南亞、北非、中東等熱點地區(qū)的軍隊、警察裝備。近年來，整體式碳化硅異形件如整體式碳化硅多曲面防彈插板、整體燒結(jié)碳化硅陶瓷防彈頭盔等裝甲材料中間體不斷出現(xiàn)，為單兵防護復(fù)合裝甲的應(yīng)用研究提供了新方向的同時，也面臨著成型工藝復(fù)雜、燒結(jié)困難、成本高及提高穩(wěn)定性等問題，尚待進一步研究。

    2.2 碳化硅陶瓷在陸軍裝甲武器平臺上的應(yīng)用

    碳化硅陶瓷是目前美國陸軍在保持重型部隊殺傷力和生存力的同時獲得更輕型部隊的關(guān)鍵材料。碳化硅的高硬度、高壓縮強度和高彈性模量，提供了有利于摧毀高速彈丸的優(yōu)異防護能力，與傳統(tǒng)的鋼制防護板相比，由碳化硅陶瓷面板與先進的復(fù)合材料背板組成的防彈陶瓷復(fù)合裝甲，價格低、質(zhì)量輕，可減輕質(zhì)量60%以上；用于制造軀干板（SAPI、ESAPI、XSAPI）、側(cè)板（ESBI、MSAP、SSAPI）和車輛（HMMWV）門、座椅。

    在主戰(zhàn)坦克中，目前德國的豹-Ⅱ，前蘇聯(lián)的T-72，英國的挑戰(zhàn)者系列，美國的Ml艾布拉母斯，以色列的梅卡瓦等主戰(zhàn)坦克在其頂部、側(cè)屏蔽和底部都裝有碳化硅陶瓷復(fù)合裝甲。

    Saint-Gobain公司集中北美和歐洲的專家成立了Armor Synergy集團，制造裝甲車輛以及士兵所需的裝甲，以提高美國軍用裝備的防護能力。Saint-Gobain陶瓷公司Saint-Gobain晶體公司制造了兩種革新的陶瓷制品。陶瓷裝甲的最終目標(biāo)是以較輕的質(zhì)量提供更高的彈道防護。隨著各國陸軍轉(zhuǎn)型計劃的不斷推進，具備質(zhì)量更輕、抵御穿破甲彈能力更強的高性能碳化硅陶瓷基復(fù)合裝甲將成為裝甲防護系統(tǒng)的首選，對提高陸基作戰(zhàn)平臺的機動性能及戰(zhàn)場生存能力將發(fā)揮重要作用。

    德國Ceram Tec公司開發(fā)了輕質(zhì)陶瓷/高分子復(fù)合材料裝甲系統(tǒng)，以無壓燒結(jié)碳化硅、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷，與高分子纖維（聚芳酰胺，聚乙烯）背襯材料復(fù)合，形成SICADUR F（SSiC）、SICADUR T（LPSSiC）系列產(chǎn)品，裝備于Fox、ASV、VAB、Dingo、YAK、Fennec、Pira-nha、Boxer、Puma 等10 余種軍用坦克裝甲車輛，以及Faun、Mungo、Tanker、AMPV等軍用特種運輸車輛。

    2.3 碳化硅陶瓷在武裝直升機等平臺上的應(yīng)用

    目前，以碳化硅陶瓷復(fù)合材料為主體防彈層的超輕量化防護系統(tǒng)已經(jīng)在武裝直升機、軍用運輸機平臺上獲得了應(yīng)用。碳化硅陶瓷復(fù)合裝甲被廣泛裝配在直升機機艙地板，側(cè)墻和駕駛員座椅處，以抵御來自地面的彈丸打擊。碳化硅陶瓷復(fù)合裝甲質(zhì)量輕，與傳統(tǒng)的鋼制防護板相比，陶瓷防護裝甲可減輕質(zhì)量70%以上，防護等級高、占用空間小，不影響機組人員操作活動。

    目前，碳化硅陶瓷裝甲已經(jīng)在德國Bell 212、EC 155、NH-90和Puma AS 330型武裝直升機上獲得應(yīng)用，該裝甲采用C/SiC/芳綸纖維超輕質(zhì)復(fù)合材料，以近凈成型工藝制造一體化直升機座椅、駕駛艙地板、側(cè)墻防彈板，防彈板厚小于15 mm，可有效抵御AK47 API，cali-bre 7.62 mm×51 mm AP（P80）和calibre 12.7 mm×99API（P1947）槍彈的威脅，并計劃在短期內(nèi)裝備于EC635、EC135、Super-Puma、CH-53、黑鷹、PZL Sokol-Huzar和TIGER型武裝直升機。采用裝甲鋼和裝甲鋁合金的武裝直升機平臺，平臺的防護性能、機動性能受到不利影響，碳化硅、碳化硼陶瓷系列裝甲將成為現(xiàn)役平臺升級及新型作戰(zhàn)平臺研制的重要防護材料。

    2.4 碳化硅陶瓷在警、民用特種車輛上的應(yīng)用

    碳化硅陶瓷裝甲也在警、民用特種車輛上得到越來越多的應(yīng)用。碳化硅陶瓷與芳綸纖維機織布復(fù)合而成的防護板，比強度高、抗沖擊能力強，質(zhì)量減輕效果明顯，正替代傳統(tǒng)的裝甲鋼板，裝備于車門、地板、車內(nèi)座椅、工具箱等關(guān)鍵部位，成為警、民用車輛防彈改裝的新興材料。運鈔車、反恐防暴車、VIP車輛、押解車、紅旗、豐田、福特等商用高級轎車，都有應(yīng)用碳化硅陶瓷裝甲的成功嘗試。

    3 研究與應(yīng)用中存在的問題

    陶瓷包括碳化硅陶瓷的固有脆性一直是制約其在裝甲防護領(lǐng)域應(yīng)用的重要原因，如何在保證碳化硅陶瓷高硬度的前提下，顯著提高材料的韌性，從而增加防彈產(chǎn)品抗多發(fā)彈連續(xù)打擊的能力，目前仍是碳化硅陶瓷復(fù)合裝甲研究的重要課題。采用顆粒彌散增韌、晶須或纖維補強增韌、基體納米化增韌、復(fù)合增韌等強韌化方法，使碳化硅陶瓷的強度、韌性有一定的改善，但還有很大的提升空間，這也是碳化硅陶瓷領(lǐng)域的研究重點。

    在碳化硅陶瓷復(fù)合裝甲的應(yīng)用過程中，由于碳化硅本身強共價鍵造成的陶瓷表面惰性，使得其與高分子材料難以形成有效的黏接，在很大程度上限制其防彈性能的發(fā)揮，如何有效增強碳化硅陶瓷裝甲的界面黏結(jié)強度，已成為防護科研人員亟待解決的問題。

    4 結(jié)語

    碳化硅陶瓷以優(yōu)異的力學(xué)性能和性價比成為最有應(yīng)用前途的防彈陶瓷材料之一，在單兵裝備、陸軍裝甲武器平臺、武裝直升機平臺、警、民用特種車輛等諸多裝甲防護領(lǐng)域中的應(yīng)用趨于多元化，碳化硅陶瓷在裝甲防護領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展空間。

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