复合陶瓷材料在防护领域的应用
[摘 要] 随着科技的不断发展，陶瓷复合技术得到了长足的进步。复合陶瓷产品应用领域广泛，由于复合陶瓷材料具有硬度大、抗压能力强、质量轻等特点，在抗弹防护领域被广泛应用。从国内外防护市场来看，复合陶瓷材料的防护产品具有很大的需求和市场潜能。
[关键词] 复合陶瓷材料；防弹材料；防弹装甲
[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2016.28.079
1 引 言
陶瓷行业是一个历史悠久的行业，新中国成立以来，尤其是改革开放以来，取得了长足的发展。陶瓷行业包括选矿、粉体生产、制品生产、陶瓷制品深加工等工业链。复合陶瓷制品生产在其中有至关重要的作用，通过这一过程，大大提高了产品的附加值，由原来的低价出口粉体原料转变为高价出售制品，经济效益大幅度提高，技术含量也大大提升。
2 复合陶瓷产品主要应用领域
复合陶瓷材料的硬度普遍都很高，再加上它具有很好的抗酸碱腐蚀能力和较高的中子吸收能力以及低密度的特点，是防弹材料、摩擦制品、核工业中子防护材料等领域重点开发的内容，在军事、宇航和民用等领域都得到了重要应用。复合陶瓷材料都具有优异的综合性能，是理想的防弹装甲材料。作为防弹用装甲材料，复合陶瓷材料可用于直升机的轻 质装甲、防弹背心等。尽管其价格较高，但对于以减轻重量为必要条件的防弹装甲系统，复合陶瓷材料仍是首选材料。
除此之外，复合陶瓷材料的应用主要还有结构材料、电性能、核性能等方面。
3 复合陶瓷产品的现状与发展特点
3.1 “拦截者”防弹衣系统
2003年，美国陆军在制造技术计划中确定了陶瓷装甲工艺的研究项目，该项目主要研究如何低成本大量生产“拦截者”防弹衣系统所需的碳化硼（B4C）和渗硅碳化硅（Si/SiC）轻武器防护插板装甲。这个项目的参加单位包括美国海军陆战队、美国陆军士兵与生物化学司令部、专业防务系统公司、Simla公司、Cercom公司（B4C和SiC等先进材料制造公司）以及其他的陶瓷制造公司，例如M立方体技术公司、Ceradyne公司与CoorsTek公司。
通过上述制造技术项目的努力，到2009年，防弹衣碳化硼装甲插板的价格从每块850美元降到525美元，通过改进制造工艺，最终以每块350美元的价格生产出了功能相同的Si/SiC装甲插板。2002年，Si/SiC装甲插板的价格又进一步降低。这些新型陶瓷装甲插板与包含“拦截者”防弹衣装甲在内的软质外穿战术背心相结合，使“拦截者”防弹衣的总价格达到1500～1700美元。虽然这个价格仍然比国防部购买传统氧化铝防弹衣的价格高，但是新型防弹衣装甲插板比传统氧化铝防弹衣装甲插板约减轻35%。
2008年初，美国政府已采购3万余件新型陶瓷装甲板，还签订了13万件陶瓷装甲板的合同。新型陶瓷装甲板经受了战争的考验。例如，美军士兵首次在阿富汗战争中穿戴了“拦截者”防弹衣系统，使他们中的许多人在战斗中得以幸存。
3.2 防弹装甲
防弹装甲的最大发展领域不在防弹衣方面，而是在装甲车辆上。用于装甲的陶瓷材料有硬度高、脆性大等特性，因而陶瓷装甲具有较好的抗弹性能，尤其是对付破甲弹的效果更好。国外主要从事此产品的公司有4个，国内至今尚无专业生产厂。现将国外的情况介绍如下。
3.2.1 Ceradyne公司
在“拦截者”防弹衣系统用的碳化硼和渗硅碳化硅轻武器防护插板研制成功后，2002—2003年，该装甲板的订货猛增。但在减少重量与成本以及提高抗弹性能方面，陶瓷装甲仍需进一步的改进。
Ceradyne公司利用美国陆军提供的小企业创新研究基金，正在研究富硼的碳化硼，使碳化硼中的每个碳原子与更多的硼原子化合。因为在烧结时，硼原子急需与碳原子化合，由于烧结工具中有丰富的碳原子，硼原子在烧结时被耗尽，因此难于获得富硼的碳化硼。然而研究人员发现，如果在烧结过程中获得和保持富硼的碳化硼，将改善其强度和韧性。
Ceradyne公司还在研究强度更高、成本更低的SiC材料。热压渗硅碳化硅的强化工艺将提高工具的寿命，降低能源成本，缩短周期时间，获得更好的装甲设计。该公司还希望能在今后若干年内推广轻型陶瓷头盔。
3.2.2 Cercom公司
Cercom公司把大部分研究陶瓷装甲的精力集中在，通过改进背衬材料和更好地控制陶瓷的尺寸来减轻轻武器防护陶瓷插板的重量，并增加其抗多发弹丸打击的性能。该公司已经研制出了增强的轻武器防护陶瓷插板，特点是大大改进了在较近距离抗多发弹丸打击的能力。但是，用较轻质量的陶瓷装甲对付较大的威胁（例如，狙击手的射弹和穿甲弹等）的研究工作正在进行。
3.2.3 CoorsTek公司
CoorsTek公司发展了轻型防弹衣装甲板，该装甲板优于氧化铝材料，可以满足轻武器防护陶瓷插板严格的尺寸和形状要求。该公司继续在这一领域从事深入的改进研究工作。因为氧化铝的成本较低，所以这些研究工作可能会增加防弹衣所用氧化铝陶瓷的需求。
EET1“奥索里约”坦克是巴西恩格萨公司为满足其陆军需要，并针对出口市场研制的一种重量较轻的坦克。其装甲为双金属板结构，重点部位采用了间隙式装甲，需要时可将陶瓷装甲插在两层装甲板之间。“乔巴姆”装甲由主装甲、陶瓷装甲、内装甲板、薄钢板（或防辐射衬层）组成。“乔巴姆”装甲是用胶将陶瓷片以盖瓦方式粘在铝板上制成的，这说明陶瓷装甲也可以用来制造复合装甲。英国“挑战者”坦克的炮塔和车体正面60°的弧内，以及其侧裙板都采用了“乔巴姆”装甲与常规钢装甲相配合，使“挑战者”坦克具有出色的防护性能。
当前，针对轻型装甲车辆，像美国海军陆战队的先进两栖装甲突击车（AAAV），以及未来战斗系统（FCS）的许多研究工作都集中在陶瓷材料和装甲陶瓷上。CoorsTek公司正在研究军用车辆和飞机用的装甲陶瓷产品，该公司研究轻型装甲车辆项目已有两个年头。