現(xiàn)代戰(zhàn)爭的勝負,仍然是解決矛和盾的問題。槍、炮、導(dǎo)彈是矛,防彈裝甲是盾,在反暴力、反恐怖的斗爭中和現(xiàn)代大規(guī)模戰(zhàn)爭中,防彈裝甲都可以減小傷亡、提高戰(zhàn)斗力,增加勝利因素,因而研究、開發(fā)它是十分必要的。裝甲材料總的發(fā)展趨勢是強韌化、輕量化、多功能和高效率。氧化鋁陶瓷材料是防彈材料中重要的一支,它具有高的硬度和耐磨性,高的壓縮強度和高應(yīng)力時的優(yōu)良彈道性能,公式中的M值為彈道質(zhì)量因素,表征氧化鋁陶瓷材料的抗彈性能。
E,彈性模量
H,硬度
ρ,密度
二、對防彈陶瓷的一般性能要求
氧化鋁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)是由氧化鋁陶瓷單片陶瓷或陶瓷—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),氧化鋁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:
氧化鋁陶瓷密度和氣孔率、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。
聲音在氧化鋁陶瓷中傳播的速度,表示氧化鋁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氧化鋁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。
氧化鋁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。
三、Al2O3防彈陶瓷的組成、性能和顯微結(jié)構(gòu)
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。
裝甲Al2O3陶瓷基于Al2O3-SiO2-CaO-MgO和Al2O3-MgO系統(tǒng),含量為96,97,98,98,99 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)化的超細粉體,這些Al2O3具有高純度(Al2O3≥99 保福祝簦ィ 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0.35~0 1~1.4μm。BET分別是8~11m2/g和2~ 3m2g。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。顯微結(jié)構(gòu)對于防彈陶瓷的應(yīng)用具有特別重要的意義。
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)后的陶瓷具有精細的顯微結(jié)構(gòu),98 保埃祝簦ィ粒歟玻希澈停梗釜保擔(dān)祝簦ィ粒歟玻希炒傻母沼窳6確直鷂2~4μm和1保怠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)。
H,硬度
ρ,密度
二、對防彈陶瓷的一般性能要求
氧化鋁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)是由氧化鋁陶瓷單片陶瓷或陶瓷—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),氧化鋁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:
氧化鋁陶瓷密度和氣孔率、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。
聲音在氧化鋁陶瓷中傳播的速度,表示氧化鋁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氧化鋁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。
氧化鋁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。
三、Al2O3防彈陶瓷的組成、性能和顯微結(jié)構(gòu)
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。
裝甲Al2O3陶瓷基于Al2O3-SiO2-CaO-MgO和Al2O3-MgO系統(tǒng),含量為96,97,98,98,99 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)化的超細粉體,這些Al2O3具有高純度(Al2O3≥99 保福祝簦ィ 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0.35~0 1~1.4μm。BET分別是8~11m2/g和2~ 3m2g。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。顯微結(jié)構(gòu)對于防彈陶瓷的應(yīng)用具有特別重要的意義。
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)后的陶瓷具有精細的顯微結(jié)構(gòu),98 保埃祝簦ィ粒歟玻希澈停梗釜保擔(dān)祝簦ィ粒歟玻希炒傻母沼窳6確直鷂2~4μm和1保怠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)。
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本文“氧化鋁陶瓷的防彈功能”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時間:2014-10-06 14:57:45
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