復合陶瓷材料在防護領域的應用

狄　錚,丁華東

(1.大唐移動通訊設備有限公司,北京　100052；2.裝甲兵工程學院　裝備再制造技術國防科技重點實驗室,北京　100072)

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復合陶瓷材料在防護領域的應用

狄錚1,丁華東2

(1.大唐移動通訊設備有限公司,北京100052；2.裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室,北京100072)

[摘要]隨著科技的不斷發(fā)展,陶瓷復合技術得到了長足的進步。復合陶瓷產(chǎn)品應用領域廣泛,由于復合陶瓷材料具有硬度大、抗壓能力強、質量輕等特點,在抗彈防護領域被廣泛應用。從國內外防護市場來看,復合陶瓷材料的防護產(chǎn)品具有很大的需求和市場潛能。

[關鍵詞]復合陶瓷材料；防彈材料；防彈裝甲

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.28.079

1引言

陶瓷行業(yè)是一個歷史悠久的行業(yè),新中國成立以來,尤其是改革開放以來,取得了長足的發(fā)展。陶瓷行業(yè)包括選礦、粉體生產(chǎn)、制品生產(chǎn)、陶瓷制品深加工等工業(yè)鏈。復合陶瓷制品生產(chǎn)在其中有至關重要的作用,通過這一過程,大大提高了產(chǎn)品的附加值,由原來的低價出口粉體原料轉變?yōu)楦邇r出售制品,經(jīng)濟效益大幅度提高,技術含量也大大提升。

2復合陶瓷產(chǎn)品主要應用領域

復合陶瓷材料的硬度普遍都很高，再加上它具有很好的抗酸堿腐蝕能力和較高的中子吸收能力以及低密度的特點,是防彈材料、摩擦制品、核工業(yè)中子防護材料等領域重點開發(fā)的內容,在軍事、宇航和民用等領域都得到了重要應用。復合陶瓷材料都具有優(yōu)異的綜合性能,是理想的防彈裝甲材料。作為防彈用裝甲材料,復合陶瓷材料可用于直升機的輕質裝甲、防彈背心等。盡管其價格較高,但對于以減輕重量為必要條件的防彈裝甲系統(tǒng),復合陶瓷材料仍是首選材料。

除此之外,復合陶瓷材料的應用主要還有結構材料、電性能、核性能等方面。

3復合陶瓷產(chǎn)品的現(xiàn)狀與發(fā)展特點

3.1“攔截者”防彈衣系統(tǒng)

2003年,美國陸軍在制造技術計劃中確定了陶瓷裝甲工藝的研究項目,該項目主要研究如何低成本大量生產(chǎn)“攔截者”防彈衣系統(tǒng)所需的碳化硼(B4C)和滲硅碳化硅(Si/SiC)輕武器防護插板裝甲。這個項目的參加單位包括美國海軍陸戰(zhàn)隊、美國陸軍士兵與生物化學司令部、專業(yè)防務系統(tǒng)公司、Simla公司、Cercom公司(B4C和SiC等先進材料制造公司)以及其他的陶瓷制造公司,例如M立方體技術公司、Ceradyne公司與CoorsTek公司。

通過上述制造技術項目的努力,到2009年,防彈衣碳化硼裝甲插板的價格從每塊850美元降到525美元,通過改進制造工藝,最終以每塊350美元的價格生產(chǎn)出了功能相同的Si/SiC裝甲插板。2002年,Si/SiC裝甲插板的價格又進一步降低。這些新型陶瓷裝甲插板與包含“攔截者”防彈衣裝甲在內的軟質外穿戰(zhàn)術背心相結合,使“攔截者”防彈衣的總價格達到1500～1700美元。雖然這個價格仍然比國防部購買傳統(tǒng)氧化鋁防彈衣的價格高,但是新型防彈衣裝甲插板比傳統(tǒng)氧化鋁防彈衣裝甲插板約減輕35%。

2008年初,美國政府已采購3萬余件新型陶瓷裝甲板,還簽訂了13萬件陶瓷裝甲板的合同。新型陶瓷裝甲板經(jīng)受了戰(zhàn)爭的考驗。例如,美軍士兵首次在阿富汗戰(zhàn)爭中穿戴了“攔截者”防彈衣系統(tǒng),使他們中的許多人在戰(zhàn)斗中得以幸存。

3.2防彈裝甲

防彈裝甲的最大發(fā)展領域不在防彈衣方面,而是在裝甲車輛上。用于裝甲的陶瓷材料有硬度高、脆性大等特性,因而陶瓷裝甲具有較好的抗彈性能,尤其是對付破甲彈的效果更好。國外主要從事此產(chǎn)品的公司有4個,國內至今尚無專業(yè)生產(chǎn)廠。現(xiàn)將國外的情況介紹如下。

3.2.1Ceradyne公司

在“攔截者”防彈衣系統(tǒng)用的碳化硼和滲硅碳化硅輕武器防護插板研制成功后,2002—2003年,該裝甲板的訂貨猛增。但在減少重量與成本以及提高抗彈性能方面,陶瓷裝甲仍需進一步的改進。

Ceradyne公司利用美國陸軍提供的小企業(yè)創(chuàng)新研究基金,正在研究富硼的碳化硼,使碳化硼中的每個碳原子與更多的硼原子化合。因為在燒結時,硼原子急需與碳原子化合,由于燒結工具中有豐富的碳原子,硼原子在燒結時被耗盡,因此難于獲得富硼的碳化硼。然而研究人員發(fā)現(xiàn),如果在燒結過程中獲得和保持富硼的碳化硼,將改善其強度和韌性。

Ceradyne公司還在研究強度更高、成本更低的SiC材料。熱壓滲硅碳化硅的強化工藝將提高工具的壽命,降低能源成本,縮短周期時間,獲得更好的裝甲設計。該公司還希望能在今后若干年內推廣輕型陶瓷頭盔。

工程的建設實施及運行開展必然會對生態(tài)環(huán)境造成各種復雜的影響，既包括有利的一面，也包括不利的一面，在尾水導流工程的建設過程中尤其需要關注工程建設對引用水水質產(chǎn)生的隱患。如徐州尾水導流工程采用明渠運送污水，沿駱馬湖經(jīng)大馬莊涵洞尾水最終排入新沂河，而駱馬湖是徐州市重要的供水水源地，一旦雨季時節(jié)雨量大造成明渠溢出，污水溢入駱馬湖，容易對駱馬湖水質造成污染，甚至影響徐州市區(qū)的供水安全。因此，后續(xù)工程應加強水質監(jiān)控并進一步加強工程的優(yōu)化設計，以消除污水污染隱患。

3.2.2Cercom公司

Cercom公司把大部分研究陶瓷裝甲的精力集中在,通過改進背襯材料和更好地控制陶瓷的尺寸來減輕輕武器防護陶瓷插板的重量,并增加其抗多發(fā)彈丸打擊的性能。該公司已經(jīng)研制出了增強的輕武器防護陶瓷插板,特點是大大改進了在較近距離抗多發(fā)彈丸打擊的能力。但是,用較輕質量的陶瓷裝甲對付較大的威脅(例如，狙擊手的射彈和穿甲彈等)的研究工作正在進行。

3.2.3CoorsTek公司

CoorsTek公司發(fā)展了輕型防彈衣裝甲板,該裝甲板優(yōu)于氧化鋁材料,可以滿足輕武器防護陶瓷插板嚴格的尺寸和形狀要求。該公司繼續(xù)在這一領域從事深入的改進研究工作。因為氧化鋁的成本較低,所以這些研究工作可能會增加防彈衣所用氧化鋁陶瓷的需求。

EET1“奧索里約”坦克是巴西恩格薩公司為滿足其陸軍需要,并針對出口市場研制的一種重量較輕的坦克。其裝甲為雙金屬板結構,重點部位采用了間隙式裝甲,需要時可將陶瓷裝甲插在兩層裝甲板之間?！皢贪湍贰毖b甲由主裝甲、陶瓷裝甲、內裝甲板、薄鋼板(或防輻射襯層)組成?！皢贪湍贰毖b甲是用膠將陶瓷片以蓋瓦方式粘在鋁板上制成的,這說明陶瓷裝甲也可以用來制造復合裝甲。英國“挑戰(zhàn)者”坦克的炮塔和車體正面60°的弧內,以及其側裙板都采用了“喬巴姆”裝甲與常規(guī)鋼裝甲相配合,使“挑戰(zhàn)者”坦克具有出色的防護性能。

當前,針對輕型裝甲車輛,像美國海軍陸戰(zhàn)隊的先進兩棲裝甲突擊車(AAAV),以及未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)(FCS)的許多研究工作都集中在陶瓷材料和裝甲陶瓷上。CoorsTek公司正在研究軍用車輛和飛機用的裝甲陶瓷產(chǎn)品,該公司研究輕型裝甲車輛項目已有兩個年頭。

3.2.4M立方體技術公司

M立方體技術公司最近推出了一種反應化合碳化硼新產(chǎn)品,它具有反應化合碳化硅產(chǎn)品的全部優(yōu)點。該公司利用反應化合工藝,能制造出市場上典型熱壓碳化硼不能制造的形狀和尺寸,將滿足軍方的一些特殊需求。例如,在今后兩三年中,部隊將增加一種復雜結構裝甲系統(tǒng)的用量,結構復雜的反應化合SiC 和B4C制件可供該裝甲系統(tǒng)使用。

采用M立方體技術公司反應化合B4C技術的一件結構直升機座椅,改進了傳統(tǒng)座椅的設計。傳統(tǒng)座椅的一般制造方法是,首先制造多件陶瓷組件,然后把它們送往軍械裝配廠進行組裝。一件結構設計有助于減輕座椅的重量和減少裝配人力及費用。

在B4C大有希望用于車輛之時,研究人員發(fā)現(xiàn)了它在高沖擊壓力作用下出現(xiàn)削弱抗彈性能的非晶化現(xiàn)象。B4C是阻擋低能彈丸,像手槍彈的優(yōu)良材料,但它在非常高的速度和壓力作用下,比如在受較高動能的彈藥沖擊時,晶體結構相變崩潰,形成易于破碎的玻璃態(tài)材料帶,即出現(xiàn)削弱抗彈性能的非晶化現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是約翰斯·霍普金斯大學和美陸軍研究實驗室的研究人員最近發(fā)現(xiàn)的,他們破解了非常硬和輕的碳化硼陶瓷突然喪失防護能力的真正原因。非晶化現(xiàn)象是阻礙碳化硼用于車輛的主要障礙。研究人員希望通過改變晶體結構、化學成分和添加劑等途徑,研究出新的制造方法,避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象,使碳化硼能夠用于車輛裝甲。

4陶瓷復合產(chǎn)品國內外市場需求

美國、英國、德國、韓國等發(fā)達國家已將復合陶瓷材料用于軍工、核電等行業(yè)上。例如美國著名的武裝直升機AH-64A的防彈裝甲,就使用了復合陶瓷材料；美國的“攔截者”防彈衣在胸前和后背分別設置了兩個裝載復合陶瓷材料防彈陶瓷插板的“大口袋”。而國內研制的CEFR堆芯周圍有許多屏蔽層組件,由內裝吸收體材料為天然硼的碳化硼圓柱體芯塊的不銹鋼包殼管組成。

國內市場上,主要是復合陶瓷材料的生產(chǎn)與出口,碳化硼陶瓷材料的應用還很少,但由于其優(yōu)良的性能,市場潛力非常大。根據(jù)應用行業(yè)及復合陶瓷材料應用領域的不同,可以將整個國內市場分為以下幾個分市場,如下表所示。

市場分析

從上表中可以看出,復合陶瓷材料市場有以下特點：

(1)市場范圍廣,應用領域多,復合陶瓷材料具有巨大的市場潛力,其應用涉及國防和民用的眾多領域。

(2)國內復合陶瓷材料的應用大部分還處于試用階段,市場未被全面開發(fā),市場潛力較大。

(3)在不同的應用領域,將面臨不同的市場情況,包括不同的客戶和競爭情況。

僅防彈衣一項,根據(jù)美國2010年中國軍力報告顯示,截止到2013年底,中國軍隊人數(shù)將減少至230萬,按每人一件防彈衣,則至少需要230萬件。按照每件防彈衣需復合陶瓷材料0.0012立方米計算,則共需復合陶瓷材料2760立方米,即6955噸。而武裝直升機防彈裝甲和坦克披掛裝甲的需求量更大,若以防彈裝甲用量的兩倍計算此部分需碳化硼陶瓷材料13910噸。碳化硼陶瓷材料總需求量為20865噸。

由此可以看出,市場前景廣闊,具有很大的潛力。