陶瓷(ci)材料作為非(fei)金屬(shu)材料的(de)(de)關鍵(jian)一員(yuan)，擁有大(da)量極具吸引(yin)力的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)，如良好的(de)(de)機(ji)械(xie)性(xing)(xing)能(neng)和電化學性(xing)(xing)能(neng)、熱導率低、結構致(zhi)密均勻、耐磨和耐腐蝕等等。正如小米(mi)6陶瓷(ci)尊享版手機(ji)的(de)(de)宣傳語“極致(zhi)性(xing)(xing)價比與藝術品般的(de)(de)科技結晶相融(rong)合”那樣，陶瓷(ci)機(ji)身的(de)(de)硬度(du)更高，手感更好，使得(de)陶瓷(ci)材料在手機(ji)行業的(de)(de)應用得(de)到大(da)家的(de)(de)肯(ken)定與贊賞。同樣地，陶瓷(ci)在其他領域(yu)的(de)(de)應用也(ye)逐步得(de)到大(da)家的(de)(de)認可。

圖1“小米6”陶瓷版(ban)引起公眾關注

　　防彈裝甲領域的明星材料

　　陶瓷材料的高比剛度、高比強度和在復雜環境下的化學惰性，同時相對于金屬材料所具有的低密度、高硬度和高抗壓強度，使其在裝甲系統上的應用十分具有前景，并已經廣泛應用于防彈衣、車輛和飛機等裝備的防護裝甲中。2016年，中國人民解放軍全面列裝的昌河武直-10采用了碳化硼陶瓷裝甲板，使得直升機脆弱的座艙肩膀兩側能夠抗擊12.7mm大口徑機槍子彈。目前，常用的裝甲陶瓷材料主要為碳化硼(B4C)、碳化硅和氧化鋁。

圖(tu)2 武(wu)直-10裝備碳(tan)化硼材(cai)料陶瓷防彈(dan)板

　　陶瓷材料的防彈原理

　　金屬材料可以通過塑性變形吸收彈頭的能量，而陶瓷作為脆性材料，其破壞時塑性變形量近乎為0（讀者若想進一步了解塑性材料和脆性材料的分類及其性能介紹，可以查看火車抗洪中材料力學的介紹//mp.weixin.qq.com/s/biYro-8Pzy9PIbi5OZG-sA）。因此，在彈頭較大沖擊力作用下，陶瓷材料主要通過微破碎過程吸收能量，其主要過程大致分為初始撞擊階段、侵蝕階段和變形斷裂階段三個階段。裝甲陶瓷表層能使得彈頭鈍化，表面粉碎為細小而堅硬的顆粒，當變鈍的彈丸繼續深入，使得裝甲陶瓷形成碎片層，材料內部的拉應力使得陶瓷碎裂，剩余的能量由背板吸收。

　　（1）初始撞擊階段：彈丸撞擊陶瓷表面，使彈頭變鈍，在陶瓷表面粉碎形成細小且堅硬的碎塊區的過程中吸收能量；

　　（2）侵蝕階段：變鈍的彈丸繼續侵蝕碎塊區，形成連續的陶瓷碎片層；

　　（3）變形、裂縫和斷裂階段：最后陶瓷中產生張應力使陶瓷碎裂，隨后背板變形，剩余的能量全部由背板材料的變形所吸收。

　　陶瓷吸收能量的能力與陶瓷的硬度、彈性模量有關，一般用彈道質量因素來綜合衡量陶瓷的抗彈性能：

(式中：E為(wei)彈性模量，H為(wei)硬度，為(wei)密度。)

　　由此可見，陶瓷的彈性模量、硬度越大，密度越小，陶瓷對于動能吸收能力越強，即防彈性能越好。此外，以上公式忽略了陶瓷的高斷裂韌性可延遲彈丸撞擊陶瓷的斷裂時間，從而提高陶瓷的斷裂耗能和抗彈阻力。表1列出了陶瓷材料的性質對防彈性能的影響。

表1 陶瓷材料的性質對其防彈性能的影響

　　防彈裝甲材料的雙子星

　　簡言之，陶瓷材料高硬度的特點使得其能夠鈍化甚至破碎彈頭，并通過自身破碎的過程吸收高速彈頭的能量；同時，陶瓷材料具有不到鋼材一半的密度，非常適合移動裝甲和單兵防護。

圖(tu)3 應用(yong)于(yu)坦克的陶瓷材料

　　碳化硅與碳化硼陶瓷在防彈裝甲領域的應用來源已久。20世紀60年代，碳化硼陶瓷最先用于設計防彈背心，并裝配到飛機飛行員的座椅上。之后，由陶瓷面板和復合材料背板共同構成的防彈陶瓷復合裝甲，且在70年代后被美國等西方軍事強國應用于運兵車、坦克及軍機中。

　　碳化硼是強共價鍵化合物，共價鍵高達93.9％，因而具有密度低、強度大、高溫穩定性以及化學穩定性好的特點，制品尤其適用于輕質裝甲的應用。同時，和金剛石和立方氮化硼相比，碳化硼制造容易、成本低廉。與碳化硼一樣，碳化硅共價鍵極強，高溫下具有高強度的鍵合，這種結構特點賦予了碳化硅陶瓷優異的強度硬度及耐磨等特性。

　　作為防彈材料，就是將上述材料制備成粉末并進行燒結成塊，從而變成具有防彈能力的陶瓷塊，再與其它配料進一步整合成為可裝備的成品。

圖4 碳化硼防彈片

　　表2具體列出了碳化硅與碳化硼的材料性質。可依據表1中裝甲陶瓷的材料性能對防彈性能的影響，對表2中三種裝甲陶瓷材料性能進行對比分析。

表2 典型防彈陶瓷的性能對比

　　我(wo)們發現，碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅(gui)與碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硼陶(tao)瓷均具有(you)密(mi)度(du)低的(de)特(te)點，常見氧化(hua)(hua)鋁陶(tao)瓷的(de)密(mi)度(du)約(yue)為3.5g/cm-3，而碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅(gui)和碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硼的(de)密(mi)度(du)分別僅有(you)3.2g/cm-3和2.5g/cm-3。可見，在(zai)移動裝甲輕量化(hua)(hua)的(de)趨勢(shi)(shi)下，碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅(gui)和碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硼材料具有(you)先天優勢(shi)(shi)。

　　彈性模量方面，氧化鋁陶瓷的彈性模量在350GPa左右，而碳化硅和碳化硼材料的彈性模量在400GPa左右，由上海硅酸鹽研究所利用反應燒結的碳化硅陶瓷彈性模量達到360-380GPa之間，而英美國家利用同樣反應燒結的碳化硅彈性模量能達到430GPa以上。可見，三種主要的裝甲陶瓷材料均具有高彈性模量的特點。

　　硬度方面，碳化硼＞碳化硅＞氧化鋁。值得一提的是，碳化鎢材料作為生產硬質合金的關鍵材料，與碳化硅相比，碳化硅的硬度為碳化鎢的2倍，密度為碳化鎢的1/5，而且強度在1400℃保持不下降。

　　耐磨性方面，碳化硼＞碳化硅＞氧化鋁。由中南大學粉末冶金研究所測定數據顯示，氧化鋁陶瓷耐磨性相當于錳鋼的266倍，高鉻鑄鐵的171.5倍。由此可見，陶瓷材料高硬度高耐磨的性能遠遠高于耐磨鋼和不銹鋼。

　　其它性能方面，碳化硼高溫熱穩定性獨樹一幟，與氧化鋁相比，其熱膨脹系數小1/2，在500℃時，熱傳導高1個數量級，而抗熱震能力高近20倍。但它們共性的問題是斷裂韌性低、脆性大，因此，防彈陶瓷的強韌化一直是研究的熱點方向。強韌方法主要包括多元陶瓷體系復合、功能梯度陶瓷、層狀結構設計等。，其斷裂韌性差，抗拉強度低，易于發生脆性斷裂，必須由陶瓷面板與復合材料背板粘結而成的陶瓷復合靶板，才能克服陶瓷由于拉應力引起的失效。這種復合靶板的制作，通常是利用小塊排布的陶瓷面板與復合材料背板粘接，這樣同時也能避免整塊的陶瓷面板破碎，彈丸侵入時僅會粉碎單塊裝甲。

　　此外，碳化硅和碳化硼材料目前的價格仍然較高，碳化硼的價格甚至達到每千克700-800元，為氧化鋁材料的近乎10倍。然而，隨著裝甲系統輕量化、高效化的發展需求，防彈陶瓷的優越性愈加凸顯，碳化硅與碳化硼材料作為防彈裝甲材料的雙子星，相信仍有很大的進步空間。