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揭秘:陶瓷咋成了防彈“新星”
2020-08-14 14:04:36 來源: 解放軍報
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    原標題:軍事科學院係統工程研究院高級工程師馬天為您講述——

    陶瓷咋成了防彈“新星”

    

防彈陶瓷塊。

    “泥沙入手經摶埴,光色便與尋常殊。”這是一首咏嘆精美瓷器的詩句。陶瓷,擁有的獨特形狀、成色、質地,千百年來它不僅成為人們生活中常用的器具,也成為讓人賞心悅目的藝術品。

    在大家的印象裏,陶瓷是脆性的,輕輕一摔,一件價值連城的古瓷瞬間即可“粉身碎骨”。但是你知道嗎,陶瓷經由現代科技“搖身一變”,因其物理特性竟能充當防彈材料,堪稱是防彈領域冉冉升起的一顆“新星”。

    試想一下,戰場上一顆小小的子彈,能給士兵帶來致命傷害,易碎的陶瓷卻能擋住高速飛行的子彈。它的“功力”從何而來?下面,讓我們一起走進防彈陶瓷的世界一探究竟。

    高強硬質,復合裝甲

    防彈陶瓷,屬于無機非金屬材料家族中的一員。嚴格意義上講,與我們日常生活中使用的瓷器並非同一類材料。作為特種陶瓷,區別于就地取土成坯燒制的陶瓷器皿,防彈陶瓷的制備需要經過一係列粉體制備、成型加工、高溫燒結等復雜工序,是化學、冶金、材料等現代技術快速發展的産物。

    早在1918年就有記載稱,在鋼質裝甲表面涂上一層瓷釉,可以顯著提升其防彈性能。但真正意義上的防彈陶瓷,是上世紀60年代後才出現的。

    防彈陶瓷之所以能夠防彈,是因為它具備極高的硬度和強度。子彈撞擊高強高硬的陶瓷後,發生破碎並引起陶瓷碎裂,整個過程將消耗子彈大部分的能量,並在彈著點處形成一個“倒金字塔”型破壞錐。這也是陶瓷受彈擊後典型的被破壞形貌。

    當然,由于陶瓷的脆性,僅僅依靠陶瓷自身,還不能做到“萬無一失”。防彈陶瓷一般放在迎彈面,要與其他的背襯材料粘接在一起,組成復合裝甲共同使用。背襯材料一般選用對位芳綸或超高分子量聚乙烯等纖維增強復合材料,主要功能是吸收剩余彈道衝擊能量。

    為了提高陶瓷的抗多次打擊能力,往往還要在陶瓷面板上包覆高強纖維織物,防止彈擊造成的裂紋擴展。高強硬質陶瓷與剛性背襯的組合,構成現代陶瓷復合裝甲的基本結構。

    戰火洗禮,生命之盾

    上世紀60年代,美軍在越南叢林中的直升機和乘員經常受到地面輕武器的殺傷。為了降低裝備戰損和乘員傷亡,1962年,美國一家航空航天公司首次開發出正面為硬質陶瓷的復合裝甲,將氧化鋁陶瓷塊粘到薄約6毫米的韌性鋁背板上,用以抵禦7.62毫米穿甲彈的射擊。也就是在這個時期,美軍開啟了防彈陶瓷大規模軍事應用的先河。

    由于同等條件下,陶瓷較金屬重量大大降低,在對重量要求非常苛刻的軍機上,陶瓷裝甲大量用于機腹、座艙、發動機等關鍵部位防護。俄羅斯米-28直升機,在座艙周圍採用陶瓷裝甲加強,能夠抵禦數次機槍掃射,出色的防護能力,為其贏得了“飛行堡壘”的美譽。對于裝甲車輛,陶瓷復合裝甲更是提高防護能力的“秘密武器”,英國“挑戰者2”、法國“勒克萊爾”、俄羅斯“阿瑪塔”等主戰坦克,均大量裝備這種裝甲。有報道稱,英軍一輛“挑戰者2”坦克,先後被14枚RPG火箭彈和1枚反坦克導彈命中,內部乘員卻無一傷亡,足見現代陶瓷復合裝甲的“盾牌”功力。

    當重型裝備紛紛披挂上輕質高強的陶瓷“鎧甲”後,人們又將目光轉向了穿梭在槍林彈雨中的士兵。其實,早在二戰戰場上,就出現過鋼制防彈胸甲。因過于笨重,它並不受士兵們歡迎。上世紀70年代,美軍推出柔軟輕便的凱夫拉防彈衣。盡管它在防護低速槍彈和爆炸破片方面有不俗表現,但遇到步槍發射的高速子彈時,防護上往往“力不從心”。其實,所謂的“防彈”並非“刀槍不入”,而是根據防護能力進行分級防護。某個防護等級的裝備,只能滿足防護該級別和更低級別槍彈的要求。影視劇裏那種“金剛不壞”的防彈衣是不存在的。

    為了提高防護能力,科學家們想到將防彈陶瓷制成插板,與軟體防彈衣配合使用,猶如古代鎧甲上的“護心鏡”。這樣,既能大幅提升人體核心部位的防護能力,又兼顧了穿著者的機動性。剛開始,是利用小塊陶瓷拼接成插板。隨著技術的進步,人們更多採用整塊陶瓷,以消除小塊陶瓷片因有拼接縫隙而存在的薄弱點,有的還制成曲面以貼合人體。這也是當前防彈插板的基本樣式。目前,防彈陶瓷制備技術已日臻成熟,成為保護士兵的“生命之盾”。

    科技助力,再作升級

    經過數十年的發展,目前廣泛應用的防彈陶瓷種類很多,包括氧化鋁、碳化硅、碳化硼、氮化硅、硼化鈦等。其中,最常見的是氧化鋁、碳化硅和碳化硼陶瓷。隨著武器係統的升級換代,傳統的單相陶瓷已經不能滿足現實軍事需求,特別是對防彈裝備的要求越來越高。因此,防彈陶瓷開始朝著多元化、復合化、功能化方向發展——

    功能梯度陶瓷。通過微觀組分設計,使得陶瓷性能發生有規律性的連續變化。比如硼化鈦與金屬鈦以及氧化鋁、碳化硅、碳化硼、氮化硅與金屬鋁等金屬/陶瓷復合體係,在厚度方向上,形成一種結構變化,確保防彈陶瓷從迎彈面的高硬度過渡到背彈面的高韌性。這樣,既可滿足裝甲抗彈要求,又可增強其抗多發彈能力,在防護中小口徑穿甲彈時具有較大優勢。

    納米復相陶瓷。在單相陶瓷的基礎上,添加亞微米級或納米級分散粒子,構成復相陶瓷。如碳化硅-氮化硅-氧化鋁、碳化硼-碳化硅等,可以在一定范圍內改善陶瓷的硬度、韌性和強度。有報道稱,國外正在探索將納米尺度的粉體黏結在一起的燒結工藝,能夠把陶瓷晶粒尺寸減小到幾十納米,從而提高材料硬度和強度。這是未來先進陶瓷裝甲的一個主要發展方向。

    透明陶瓷。以單晶氧化鋁(藍寶石)、氮氧化鋁和鎂鋁尖晶石為代表的透明陶瓷,因為具有很高的強度和硬度,同時兼具良好的光學性能,所以能替代防彈玻璃,在單兵防彈面罩、導彈探測窗口、車輛觀察窗、潛艇潛望鏡等軍事裝備上加以應用。由于能低成本制造大尺寸、復雜形狀透明部件,這樣的陶瓷,已被不少軍事強國列為21世紀重點發展的光功能透明材料之一。

    目前,無論是在軍事上,還是在民用技術領域中,陶瓷應用都極其廣泛。可以預見,古老的矛與盾的故事,仍將在未來戰場上演精彩的強強對決。

【糾錯】 責任編輯: 楊茹
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