碳化硅与碳化硼陶瓷在防弹装甲领域应用

防弹装甲领域的明星材料

陶瓷材料的高比刚度、高比强度和在复杂环境下的化学惰性，同时相对于金属材料所具有的低密度、高硬度和高抗压强度，使其在装甲系统上的应用十分具有前景，并已经广泛应用于防弹衣、车辆和飞机等装备的防护装甲中。2016年，中国人民解放军全面列装的昌河武直-10采用了碳化硼陶瓷装甲板，使得直升机脆弱的座舱肩膀两侧能够抗击12.7mm大口径机枪子弹。目前，常用的装甲陶瓷材料主要为碳化硼(B4C)、碳化硅和氧化铝。

图1 武直-10装备碳化硼材料陶瓷防弹板
陶瓷材料的防弹原理 金属材料可以通过塑性变形吸收弹头的能量，而陶瓷作为脆性材料，其破坏时塑性变形量近乎为0（读者若想进一步了解塑性材料和脆性材料的分类及其性能介绍，可以查看旧文：“火车压桥抗洪”中材料力学）。因此，在弹头较大冲击力作用下，陶瓷材料主要通过微破碎过程吸收能量，其主要过程大致分为初始撞击阶段、侵蚀阶段和变形断裂阶段三个阶段。装甲陶瓷表层能使得弹头钝化，表面粉碎为细小而坚硬的颗粒，当变钝的弹丸继续深入，使得装甲陶瓷形成碎片层，材料内部的拉应力使得陶瓷碎裂，剩余的能量由背板吸收。陶瓷吸收能量的能力与陶瓷的硬度、弹性模量有关，一般用弹道质量因素来综合衡量陶瓷的抗弹性能： (式中：E为弹性模量，H为硬度，ρ为密度。)   由此可见，陶瓷的弹性模量、硬度越大，密度越小，陶瓷对于动能吸收能力越强，即防弹性能越好。此外，以上公式忽略了陶瓷的高断裂韧性可延迟弹丸撞击陶瓷的断裂时间，从而提高陶瓷的断裂耗能和抗弹阻力。表1列出了陶瓷材料的性质对防弹性能的影响。

防弹装甲材料的双子星

简言之，陶瓷材料高硬度的特点使得其能够钝化甚至破碎弹头，并通过自身破碎的过程吸收高速弹头的能量；同时，陶瓷材料具有不到钢材一半的密度，非常适合移动装甲和单兵防护。

图2 应用于坦克的陶瓷材料

碳化硅与碳化硼陶瓷在防弹装甲领域的应用来源已久。20世纪60年代，碳化硼陶瓷最先用于设计防弹背心，并装配到飞机飞行员的座椅上。之后，由陶瓷面板和复合材料背板共同构成的防弹陶瓷复合装甲，且在70年代后被美国等西方军事强国应用于运兵车、坦克及军机中。   碳化硼是强共价键化合物，共价键高达93.9％，因而具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的特点，制品尤其适用于轻质装甲的应用。同时，和金刚石和立方氮化硼相比，碳化硼制造容易、成本低廉。与碳化硼一样，碳化硅共价键极强，高温下具有高强度的键合，这种结构特点赋予了碳化硅陶瓷优异的强度硬度及耐磨等特性。   作为防弹材料，就是将上述材料制备成粉末并进行烧结成块，从而变成具有防弹能力的陶瓷块，再与其它配料进一步整合成为可装备的成品。

图3  碳化硼防弹片

我们发现，碳化硅与碳化硼陶瓷均具有密度低的特点，常见氧化铝陶瓷的密度约为3.5g/cm-3，而碳化硅和碳化硼的密度分别仅有3.2g/cm-3和2.5g/cm-3。可见，在移动装甲轻量化的趋势下，碳化硅和碳化硼材料具有先天优势。

弹性模量方面，氧化铝陶瓷的弹性模量在350GPa左右，而碳化硅和碳化硼材料的弹性模量在400GPa左右，由上海硅酸盐研究所利用反应烧结的碳化硅陶瓷弹性模量达到360-380GPa之间，而英美国家利用同样反应烧结的碳化硅弹性模量能达到430GPa以上。可见，三种主要的装甲陶瓷材料均具有高弹性模量的特点。

硬度方面，碳化硼＞碳化硅＞氧化铝。值得一提的是，碳化钨材料作为生产硬质合金的关键材料，与碳化硅相比，碳化硅的硬度为碳化钨的2倍，密度为碳化钨的1/5，而且强度在1400℃保持不下降。

耐磨性方面，碳化硼＞碳化硅＞氧化铝。由中南大学粉末冶金研究所测定数据显示，氧化铝陶瓷耐磨性相当于锰钢的266倍，高铬铸铁的171.5倍。由此可见，陶瓷材料高硬度高耐磨的性能远远高于耐磨钢和不锈钢。

其它性能方面，碳化硼高温热稳定性独树一帜，与氧化铝相比，其热膨胀系数小1/2，在500℃时，热传导高1个数量级，而抗热震能力高近20倍。但，其断裂韧性差，抗拉强度低，易于发生脆性断裂，必须由陶瓷面板与复合材料背板粘结而成的陶瓷复合靶板，才能克服陶瓷由于拉应力引起的失效。这种复合靶板的制作，通常是利用小块排布的陶瓷面板与复合材料背板粘接，这样同时也能避免整块的陶瓷面板破碎，弹丸侵入时仅会粉碎单块装甲。

此外，碳化硅和碳化硼材料目前的价格仍然较高，碳化硼的价格甚至达到每千克700-800元，为氧化铝材料的近乎10倍。然而，随着装甲系统轻量化、高效化的发展需求，防弹陶瓷的优越性愈加凸显，碳化硅与碳化硼材料作为防弹装甲材料的双子星，相信仍有很大的进步空间。