碳化硅陶瓷防弹片的理解及应用

1.选用碳化硅陶瓷作为防弹陶瓷的主体的原因
 

1.1 目前，硬质防护板包括有防弹钢板、防弹陶瓷复合板、超高分子量聚乙烯板三大类
 

在这几种材料中，超高分子量聚乙烯板最轻，但价格高;防弹钢板价格便宜但是但其重量重，造成战争个体机动性降低;而防弹陶瓷复合板则显示出其良好的优越性，物美价廉。且对于速度更高的穿甲弹，单独采用防弹钢板和超高分子量聚乙烯板均达不到理想防护效果，更多的选用陶瓷复合板。
 

1.2、陶瓷的种类很多，目前可用于个体防护的主要有氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)等。
 

目前已确定用M值(弹道质量因素)来衡量陶瓷材料的抗弹性能
 

M=EH/ρ
 

式中，E是杨氏模量，H是硬度，ρ是密度。
 

2.SiC陶瓷的主要性能
 

2.1碳化硅的硬度和韧性
 

SiC的硬度相当高，莫氏刻痕硬度为9.2，克氏显微硬度为2200~2800kg/mm2(负荷100g)。所给范围之所以如此大，这是因为SiC晶体的硬度与其晶轴方向有关。SiC的热态硬度虽然随着温度的升高而下降， SiC的抗压强度为224MPa，SiC的抗弯强度为15.5MPa。SiC颗粒的韧性，通常是用—定数量某种粒度SiC颗粒在定型模子中，施加规定压力之后未被压碎的颗粒所占百分率来反映的，它受颗粒形状等许多因素的影响。
 

2.2 SiC的热学性质
 

SiC是在高温下合成的，其制品也多是在高温下制备或者在高温下使用。如果只作较粗略计算时，碳化硅的平均热膨胀系数在25~1400℃范围内可以取4.4×10-6/℃。SiC的热膨胀系数测定结果表明：其量值与其他磨料及高温材料相比要小得多，如刚玉的热膨胀系数可高达(7~8)×10-6/℃。SiC的导热系数很高，这是SiC物理性能方面的另一个重要特点。它的导热系数比其他耐火材料及磨料要大的多，约为刚玉导热系数的4倍。所以，SiC所具有的低热膨胀系数和高导热系数，使其制品在加热及冷却过程中受到的热应力较小，这就是SiC陶瓷抗热震性特别好的原因。
 

3. 改变碳化硅防弹陶瓷的理论方法
 

3.1增强其抗弯强度，在生产环节方面，如今的烧结方法有热压碳化硅、常压烧结碳化硅、反应烧结碳化硅。我们应该采用热压烧结碳化硅方法，因为其烧结出来的碳化硅陶瓷抗弯强度是三种方法最高的，而且断裂韧性也是最高的，弹性模量最低。并且在热压烧结时在SiC中添加AIN，因为通过这种方法材料的抗弯强度会达到1100MPa。
 

3.2增强陶瓷的韧性，通过晶须增加陶瓷复合材料的韧性，该方法的机理一般有4种形式：裂纹偏转效应、微裂纹效应、晶须拔出效应、裂纹桥联效应和晶须的加入引起基体相变增韧。裂纹偏转增韧是裂纹非平面断裂效应的一种增韧方式。裂纹扩展到达晶须时，被迫沿晶须偏转，这意味着裂纹的前行路径更长，裂纹尖端的应力强度减少，裂纹偏转的角度越大，能量释放率就越低，断裂韧性就提高。微裂纹增韧就是在微裂纹尖端的应力场和残余应力作用下，晶须形成微裂纹源，而在裂纹前方形成散步的(不联通的)微裂纹区。拔出效应是指当裂纹扩展遇到高强度晶须时，在裂纹尖端附近晶须与晶面上存在较大的剪切应力，该应力极易造成晶须与晶界的分裂，晶须可以从基体中拔出，因界面摩擦而消耗外界载荷的能量而达到增韧的目的。同时晶须从基体中拔出会产生微裂纹来吸收更多的能量。
 

3.3根据现在的研究，弹丸以高速撞击陶瓷复合装甲时，在撞击面形成一个断裂锥体，并向陶瓷和背板之间的界面扩展(图1)。在撞击刚过之后，在与陶瓷撞击面相对的背面轴线上形成裂纹，我们可以利用Griffith微裂纹理论，微裂纹化源于增强体与基体的热膨胀系数或模量不匹配。温度变化时就会产生局部应力，同时引起体积变化，所以可以将护板置于温度突变的环境中通过温度变化来增加材料的微小裂纹的数量，并通过子弹与护板相撞导致微裂纹的扩展来消耗子弹与护板相撞击产生的能量以及子弹的动能。
 

由于碳化硅纤维的抗张强度达到3GPa抗张模量达到220GPa,所以我们可以根据纤维自身细长的物理性质将纤维进行编织，编织呈致密的碳化硅陶瓷纤维板，然后将多层纤维板进行层层重叠成多层护板，利用编织空隙充当微裂纹，从而减少对护板的破坏程度更好地提高护甲性能。
 

结论：如今为在现代化战争中取得胜利各国对于作战武器的杀伤性能做了很高程度的提升，防御方面必须也要突破常规进行改革来进行防护，矛变强了盾必须要跟得上。经过实践的检验普通的金属装甲既笨重且性能也满足不了防护要求，所以必须依靠新型非金属材料，作为无机材料中能符合要求的碳化硅陶瓷材料理应发挥其自身高强度，高耐磨，抗热震并且防辐射等优势在现代化护甲中大显身手。通过微观增加其韧性、强度，宏观改变其组合方式制成制品等方式将其自身优势发挥到极致，然后装配到大到坦克、飞机的装甲，小到士兵、警察的个体防弹衣的插板，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。俗话说兵贵神速，装备上这样的护甲定会成为战场上的一大亮点。通过陶瓷代替现在通用的钢板护甲，可以减少很多能源损耗，而且生产陶瓷所造成的生产废气废料量比生产钢板的少的多，在节能减排方面定会得到各国的亲睐。