陶瓷材料作為非金屬材料的關(guān)鍵一員，擁有大量極具吸引力的性能，如良好的機(jī)械性能和電化學(xué)性能、熱導(dǎo)率低、結(jié)構(gòu)致密均勻、耐磨和耐腐蝕等等。正如小米6陶瓷尊享版手機(jī)的宣傳語“極致性價(jià)比與藝術(shù)品般的科技結(jié)晶相融合”那樣，陶瓷機(jī)身的硬度更高，手感更好，使得陶瓷材料在手機(jī)行業(yè)的應(yīng)用得到大家的肯定與贊賞。同樣地，陶瓷在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步得到大家的認(rèn)可。

圖1“小米6”陶瓷版引起公眾關(guān)注

　　防彈裝甲領(lǐng)域的明星材料

　　陶瓷材料的高比剛度、高比強(qiáng)度和在復(fù)雜環(huán)境下的化學(xué)惰性，同時(shí)相對(duì)于金屬材料所具有的低密度、高硬度和高抗壓強(qiáng)度，使其在裝甲系統(tǒng)上的應(yīng)用十分具有前景，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于防彈衣、車輛和飛機(jī)等裝備的防護(hù)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(jī)脆弱的座艙肩膀兩側(cè)能夠抗擊12.7mm大口徑機(jī)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2 武直-10裝備碳化硼材料陶瓷防彈板

　　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(shí)塑性變形量近乎為0（讀者若想進(jìn)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(xué)的介紹https://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(gè)階段。裝甲陶瓷表層能使得彈頭鈍化，表面粉碎為細(xì)小而堅(jiān)硬的顆粒，當(dāng)變鈍的彈丸繼續(xù)深入，使得裝甲陶瓷形成碎片層，材料內(nèi)部的拉應(yīng)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(xì)小且堅(jiān)硬的碎塊區(qū)的過程中吸收能量；

　　（2）侵蝕階段：變鈍的彈丸繼續(xù)侵蝕碎塊區(qū)，形成連續(xù)的陶瓷碎片層；

　　（3）變形、裂縫和斷裂階段：最后陶瓷中產(chǎn)生張應(yīng)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(guān)，一般用彈道質(zhì)量因素來綜合衡量陶瓷的抗彈性能：

(式中：E為彈性模量，H為硬度，為密度。)

　　由此可見，陶瓷的彈性模量、硬度越大，密度越小，陶瓷對(duì)于動(dòng)能吸收能力越強(qiáng)，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(shí)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(zhì)對(duì)防彈性能的影響。

表1 陶瓷材料的性質(zhì)對(duì)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(diǎn)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(shí)，陶瓷材料具有不到鋼材一半的密度，非常適合移動(dòng)裝甲和單兵防護(hù)。

圖3 應(yīng)用于坦克的陶瓷材料

　　碳化硅與碳化硼陶瓷在防彈裝甲領(lǐng)域的應(yīng)用來源已久。20世紀(jì)60年代，碳化硼陶瓷最先用于設(shè)計(jì)防彈背心，并裝配到飛機(jī)飛行員的座椅上。之后，由陶瓷面板和復(fù)合材料背板共同構(gòu)成的防彈陶瓷復(fù)合裝甲，且在70年代后被美國等西方軍事強(qiáng)國應(yīng)用于運(yùn)兵車、坦克及軍機(jī)中。

　　碳化硼是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，共價(jià)鍵高達(dá)93.9％，因而具有密度低、強(qiáng)度大、高溫穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，制品尤其適用于輕質(zhì)裝甲的應(yīng)用。同時(shí)，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(jià)鍵極強(qiáng)，高溫下具有高強(qiáng)度的鍵合，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)賦予了碳化硅陶瓷優(yōu)異的強(qiáng)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(jìn)行燒結(jié)成塊，從而變成具有防彈能力的陶瓷塊，再與其它配料進(jìn)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(zhì)。可依據(jù)表1中裝甲陶瓷的材料性能對(duì)防彈性能的影響，對(duì)表2中三種裝甲陶瓷材料性能進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 典型防彈陶瓷的性能對(duì)比

　　我們發(fā)現(xiàn)，碳化硅與碳化硼陶瓷均具有密度低的特點(diǎn)，常見氧化鋁陶瓷的密度約為3.5g/cm-3，而碳化硅和碳化硼的密度分別僅有3.2g/cm-3和2.5g/cm-3。可見，在移動(dòng)裝甲輕量化的趨勢(shì)下，碳化硅和碳化硼材料具有先天優(yōu)勢(shì)。

　　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(yīng)燒結(jié)的碳化硅陶瓷彈性模量達(dá)到360-380GPa之間，而英美國家利用同樣反應(yīng)燒結(jié)的碳化硅彈性模量能達(dá)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(diǎn)。

　　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(chǎn)硬質(zhì)合金的關(guān)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(qiáng)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(xué)粉末冶金研究所測(cè)定數(shù)據(jù)顯示，氧化鋁陶瓷耐磨性相當(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于耐磨鋼和不銹鋼。

　　其它性能方面，碳化硼高溫?zé)岱€(wěn)定性獨(dú)樹一幟，與氧化鋁相比，其熱膨脹系數(shù)小1/2，在500℃時(shí)，熱傳導(dǎo)高1個(gè)數(shù)量級(jí)，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(qiáng)韌化一直是研究的熱點(diǎn)方向。強(qiáng)韌方法主要包括多元陶瓷體系復(fù)合、功能梯度陶瓷、層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。，其斷裂韌性差，抗拉強(qiáng)度低，易于發(fā)生脆性斷裂，必須由陶瓷面板與復(fù)合材料背板粘結(jié)而成的陶瓷復(fù)合靶板，才能克服陶瓷由于拉應(yīng)力引起的失效。這種復(fù)合靶板的制作，通常是利用小塊排布的陶瓷面板與復(fù)合材料背板粘接，這樣同時(shí)也能避免整塊的陶瓷面板破碎，彈丸侵入時(shí)僅會(huì)粉碎單塊裝甲。

　　此外，碳化硅和碳化硼材料目前的價(jià)格仍然較高，碳化硼的價(jià)格甚至達(dá)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(tǒng)輕量化、高效化的發(fā)展需求，防彈陶瓷的優(yōu)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(jìn)步空間。