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碳化硼陶瓷是如何用于防弹装甲的

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时间:2020-06-06

碳化硼陶瓷是以B4C为主晶相的陶瓷。化学式为B4C,六方晶系,暗黑色。熔点2450℃,理论密度2.52g/cm3,维氏硬度49.5GPa,在自然界里面仅次于金刚石和立方氮化硼,它还有较大的热中子俘获截面。可用来加工宝石、陶瓷、铸模、车刀和轴承等,也可用作喷砂嘴、原子反应堆的中子吸收剂,特别可以用作陶瓷防护装甲材料。 

1.陶瓷防护装甲及其防护机理

相对于其他材质的防护装甲,陶瓷装甲具有硬度高、质量轻的优点,其对弹头和弹药破片的防御能力都很强,已成为一种广泛应用于防弹衣、车辆和飞机等装备的防护装甲。现在大多数陶瓷装甲与衬层之间用低硬度、低密度的黏性聚合物黏接而成。当强大的弹药冲击波传播到陶瓷与聚合物黏合层的分界面时,冲击波产生强烈的拉抻作用,破坏陶瓷层,同时强烈的剪切作用破坏聚合物黏合层。在拉抻和剪切作用下,陶瓷层与衬层分离。与此同时,弹头和弹药破片受压而碎裂,形成圆锥形的碎裂区。正是由于陶瓷具有硬度高的优点,才会将弹头和弹药破片的冲击波能量分解到一个较大的防护面积;从而有效阻止弹头和弹药破片,保护人员的重要部位。

装甲材料总的发展趋势是强韧化、轻量化、多功能和高效率。陶瓷材料是防弹材料中重要的一支,它具有高的硬度和耐磨性,高的压缩强度和高应力时的优良弹道性能。在子弹的冲击下(速度>700~800m/s),陶瓷正面被击碎而剩余的能量则被反面软增强材料(尼龙布层等)所吸收,反面材料必须能支持住子弹冲击后陶瓷材料的碎片和子弹本身。


2.陶瓷防护装甲的要求

武装防弹陶瓷要求的性能较多,例如:密度和气孔率、硬度、断裂韧性、杨氏模量、声速、机械强度等,任何一个性能都不能与整体防弹性能有直接和决定性的关系,因而断裂机理十分复杂,裂纹形成是由许多因素引起的,而且发生的时间十分短暂。

防弹陶瓷的气孔率应尽量低,以提高硬度和杨氏模量,对Al2O3瓷来说,其气孔率应接近于零,而吸水率不超过0.02%。

陶瓷的硬度要求很高,应高于飞行弹头的硬度,对Al2O3陶瓷来说,硬度Hv应超过12.2~12.5GPa。

高的声速,一般通过声音在陶瓷中传播速度来表征陶瓷冲击面上消耗能量的能力,高的声速表示陶瓷有良好的致密化和低的封闭气孔。根据实际经验,Al2O3瓷的声速应大于10000m/s,最好是10500~11500m/s。

 3.陶瓷防护装甲的类型

陶瓷防护装甲一般有两种防弹类型,主要为单片陶瓷结构和复合陶瓷结构。

单片结构陶瓷包括氧化物陶瓷(主要是Al2O3)和非氧化物陶瓷(例如:B4C、SiC、Si3N4、AlN和TiB2等),以及二元系统(例如:B4C-TiB2基复合陶瓷)。一般来说,非氧化物陶瓷具有更高的物理性能和相对低的密度(除TiB2基陶瓷外),作为防弹比Al2O3更有利。然而这些材料制造方法多用价格较贵的热压,不易产业化。但热压可提高防弹陶瓷的机械性能,这一点也是明显的。

复合陶瓷结构具有高的防弹性能,其具有更高的断裂韧性。在射弹冲击之后,与单片陶瓷相比,复合陶瓷结构具有较好的完整性。几种复合陶瓷如下:Al2O3/SiCw、Al2O3/SiCf、Al2O3/Cf、TiB2/B4Cp、TiB2/SiCp以及金属陶瓷,这些复合陶瓷需要特别的工艺和设备,因而价格也比较贵。

 4.碳化硼(B4C)陶瓷装甲

相对于其他陶瓷材料体系,B4C陶瓷具有低密度(2.52g/cm3)、超高的硬度(维氏硬度36GPa)的优越特性,目前主要用于某些对防护性能有更高要求的特殊场合,如美军的V22“鱼鹰”旋转翼飞机的机组人员座椅。另外,英军使用的增强型人体护甲(EBA)也采用了B4C陶瓷,其可以防御12.7mm钢芯穿甲弹。EBA里面还有一层“钝伤”防护层,在陶瓷受到冲击但没有被穿透、衬层发生变形时保护人体免受钝伤,从而保护人体重要器官不受伤害。英国BAE系统公司先进陶瓷分公司就生产B4C陶瓷,并且已经用作美军“拦截者”防弹衣的防护插板。

目前中国武直-10开始安装了B4C陶瓷防弹板。该陶瓷板应该与先前巴陆军测试的Z-10P上的陶瓷板相同,位于飞行员双肩处,型号为ZJYP1-9110-200,据研判可抗12.7mm弹的冲击,平时不用时可以放下。防弹陶瓷板的曝光证明武直-10的防护能力比原先估计的要更强大,相信武直-10K也应该有同样的配置。


5.碳化硼陶瓷粉体细度对力学性能的影响

根据陶瓷学的基本原理我们知道,陶瓷制品生产中所使用的粉体原料粒径越小、分布越窄,越有利于降低陶瓷的烧结温度、缩短烧结所需时间,从而得到晶粒细小的陶瓷制品,这就能获得优异的力学性能及其他综合性能。所以,对于碳化硼制品生产厂家来说,选择碳化硼超细粉体进行制品生产,能从当前主要的热压烧结工艺改为无压烧结工艺,不但能降低生产成本,还能降低废品率并提高制品性能,有利于厂家自己技术与产品升级,提高产品在市场上的竞争能力。

6.碳化硼陶瓷的加工方法

碳化硼陶瓷的加工难度非常大,采用传统方式无法对其进行加工。目前碳化硼陶瓷的加工方法主要有:磨床加工、陶瓷雕铣机加工、内外圆磨加工等,加工难度主要在于材料硬度大,一般的刀具是无法对其进行加工的。鑫腾辉数控致力于碳化硼陶瓷雕铣机生产,并可为您提供免费的打样服务。咨询热线:15012558160。



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