复合陶瓷材料在防护领域的应用

狄　铮,丁华东

(1.大唐移动通讯设备有限公司,北京　100052；2.装甲兵工程学院　装备再制造技术国防科技重点实验室,北京　100072)



复合陶瓷材料在防护领域的应用

狄铮1,丁华东2

(1.大唐移动通讯设备有限公司,北京100052；2.装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室,北京100072)

[摘要]随着科技的不断发展,陶瓷复合技术得到了长足的进步。复合陶瓷产品应用领域广泛,由于复合陶瓷材料具有硬度大、抗压能力强、质量轻等特点,在抗弹防护领域被广泛应用。从国内外防护市场来看,复合陶瓷材料的防护产品具有很大的需求和市场潜能。

[关键词]复合陶瓷材料；防弹材料；防弹装甲

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

1引言

陶瓷行业是一个历史悠久的行业,新中国成立以来,尤其是改革开放以来,取得了长足的发展。陶瓷行业包括选矿、粉体生产、制品生产、陶瓷制品深加工等工业链。复合陶瓷制品生产在其中有至关重要的作用,通过这一过程,大大提高了产品的附加值,由原来的低价出口粉体原料转变为高价出售制品,经济效益大幅度提高,技术含量也大大提升。

2复合陶瓷产品主要应用领域

复合陶瓷材料的硬度普遍都很高，再加上它具有很好的抗酸碱腐蚀能力和较高的中子吸收能力以及低密度的特点,是防弹材料、摩擦制品、核工业中子防护材料等领域重点开发的内容,在军事、宇航和民用等领域都得到了重要应用。复合陶瓷材料都具有优异的综合性能,是理想的防弹装甲材料。作为防弹用装甲材料,复合陶瓷材料可用于直升机的轻质装甲、防弹背心等。尽管其价格较高,但对于以减轻重量为必要条件的防弹装甲系统,复合陶瓷材料仍是首选材料。

除此之外,复合陶瓷材料的应用主要还有结构材料、电性能、核性能等方面。

3复合陶瓷产品的现状与发展特点

3.1“拦截者”防弹衣系统

2003年,美国陆军在制造技术计划中确定了陶瓷装甲工艺的研究项目,该项目主要研究如何低成本大量生产“拦截者”防弹衣系统所需的碳化硼(B4C)和渗硅碳化硅(Si/SiC)轻武器防护插板装甲。这个项目的参加单位包括美国海军陆战队、美国陆军士兵与生物化学司令部、专业防务系统公司、Simla公司、Cercom公司(B4C和SiC等先进材料制造公司)以及其他的陶瓷制造公司,例如M立方体技术公司、Ceradyne公司与CoorsTek公司。

通过上述制造技术项目的努力,到2009年,防弹衣碳化硼装甲插板的价格从每块850美元降到525美元,通过改进制造工艺,最终以每块350美元的价格生产出了功能相同的Si/SiC装甲插板。2002年,Si/SiC装甲插板的价格又进一步降低。这些新型陶瓷装甲插板与包含“拦截者”防弹衣装甲在内的软质外穿战术背心相结合,使“拦截者”防弹衣的总价格达到1500～1700美元。虽然这个价格仍然比国防部购买传统氧化铝防弹衣的价格高,但是新型防弹衣装甲插板比传统氧化铝防弹衣装甲插板约减轻35%。

2008年初,美国政府已采购3万余件新型陶瓷装甲板,还签订了13万件陶瓷装甲板的合同。新型陶瓷装甲板经受了战争的考验。例如,美军士兵首次在阿富汗战争中穿戴了“拦截者”防弹衣系统,使他们中的许多人在战斗中得以幸存。

3.2防弹装甲

防弹装甲的最大发展领域不在防弹衣方面,而是在装甲车辆上。用于装甲的陶瓷材料有硬度高、脆性大等特性,因而陶瓷装甲具有较好的抗弹性能,尤其是对付破甲弹的效果更好。国外主要从事此产品的公司有4个,国内至今尚无专业生产厂。现将国外的情况介绍如下。

3.2.1Ceradyne公司

在“拦截者”防弹衣系统用的碳化硼和渗硅碳化硅轻武器防护插板研制成功后,2002—2003年,该装甲板的订货猛增。但在减少重量与成本以及提高抗弹性能方面,陶瓷装甲仍需进一步的改进。

Ceradyne公司利用美国陆军提供的小企业创新研究基金,正在研究富硼的碳化硼,使碳化硼中的每个碳原子与更多的硼原子化合。因为在烧结时,硼原子急需与碳原子化合,由于烧结工具中有丰富的碳原子,硼原子在烧结时被耗尽,因此难于获得富硼的碳化硼。然而研究人员发现,如果在烧结过程中获得和保持富硼的碳化硼,将改善其强度和韧性。

Ceradyne公司还在研究强度更高、成本更低的SiC材料。热压渗硅碳化硅的强化工艺将提高工具的寿命,降低能源成本,缩短周期时间,获得更好的装甲设计。该公司还希望能在今后若干年内推广轻型陶瓷头盔。

工程的建设实施及运行开展必然会对生态环境造成各种复杂的影响，既包括有利的一面，也包括不利的一面，在尾水导流工程的建设过程中尤其需要关注工程建设对引用水水质产生的隐患。如徐州尾水导流工程采用明渠运送污水，沿骆马湖经大马庄涵洞尾水最终排入新沂河，而骆马湖是徐州市重要的供水水源地，一旦雨季时节雨量大造成明渠溢出，污水溢入骆马湖，容易对骆马湖水质造成污染，甚至影响徐州市区的供水安全。因此，后续工程应加强水质监控并进一步加强工程的优化设计，以消除污水污染隐患。

3.2.2Cercom公司

Cercom公司把大部分研究陶瓷装甲的精力集中在,通过改进背衬材料和更好地控制陶瓷的尺寸来减轻轻武器防护陶瓷插板的重量,并增加其抗多发弹丸打击的性能。该公司已经研制出了增强的轻武器防护陶瓷插板,特点是大大改进了在较近距离抗多发弹丸打击的能力。但是,用较轻质量的陶瓷装甲对付较大的威胁(例如，狙击手的射弹和穿甲弹等)的研究工作正在进行。

3.2.3CoorsTek公司

CoorsTek公司发展了轻型防弹衣装甲板,该装甲板优于氧化铝材料,可以满足轻武器防护陶瓷插板严格的尺寸和形状要求。该公司继续在这一领域从事深入的改进研究工作。因为氧化铝的成本较低,所以这些研究工作可能会增加防弹衣所用氧化铝陶瓷的需求。

EET1“奥索里约”坦克是巴西恩格萨公司为满足其陆军需要,并针对出口市场研制的一种重量较轻的坦克。其装甲为双金属板结构,重点部位采用了间隙式装甲,需要时可将陶瓷装甲插在两层装甲板之间。“乔巴姆”装甲由主装甲、陶瓷装甲、内装甲板、薄钢板(或防辐射衬层)组成。“乔巴姆”装甲是用胶将陶瓷片以盖瓦方式粘在铝板上制成的,这说明陶瓷装甲也可以用来制造复合装甲。英国“挑战者”坦克的炮塔和车体正面60°的弧内,以及其侧裙板都采用了“乔巴姆”装甲与常规钢装甲相配合,使“挑战者”坦克具有出色的防护性能。

当前,针对轻型装甲车辆,像美国海军陆战队的先进两栖装甲突击车(AAAV),以及未来战斗系统(FCS)的许多研究工作都集中在陶瓷材料和装甲陶瓷上。CoorsTek公司正在研究军用车辆和飞机用的装甲陶瓷产品,该公司研究轻型装甲车辆项目已有两个年头。

3.2.4M立方体技术公司

M立方体技术公司最近推出了一种反应化合碳化硼新产品,它具有反应化合碳化硅产品的全部优点。该公司利用反应化合工艺,能制造出市场上典型热压碳化硼不能制造的形状和尺寸,将满足军方的一些特殊需求。例如,在今后两三年中,部队将增加一种复杂结构装甲系统的用量,结构复杂的反应化合SiC 和B4C制件可供该装甲系统使用。

采用M立方体技术公司反应化合B4C技术的一件结构直升机座椅,改进了传统座椅的设计。传统座椅的一般制造方法是,首先制造多件陶瓷组件,然后把它们送往军械装配厂进行组装。一件结构设计有助于减轻座椅的重量和减少装配人力及费用。

在B4C大有希望用于车辆之时,研究人员发现了它在高冲击压力作用下出现削弱抗弹性能的非晶化现象。B4C是阻挡低能弹丸,像手枪弹的优良材料,但它在非常高的速度和压力作用下,比如在受较高动能的弹药冲击时,晶体结构相变崩溃,形成易于破碎的玻璃态材料带,即出现削弱抗弹性能的非晶化现象。这种现象是约翰斯·霍普金斯大学和美陆军研究实验室的研究人员最近发现的,他们破解了非常硬和轻的碳化硼陶瓷突然丧失防护能力的真正原因。非晶化现象是阻碍碳化硼用于车辆的主要障碍。研究人员希望通过改变晶体结构、化学成分和添加剂等途径,研究出新的制造方法,避免出现上述现象,使碳化硼能够用于车辆装甲。

4陶瓷复合产品国内外市场需求

美国、英国、德国、韩国等发达国家已将复合陶瓷材料用于军工、核电等行业上。例如美国著名的武装直升机AH-64A的防弹装甲,就使用了复合陶瓷材料；美国的“拦截者”防弹衣在胸前和后背分别设置了两个装载复合陶瓷材料防弹陶瓷插板的“大口袋”。而国内研制的CEFR堆芯周围有许多屏蔽层组件,由内装吸收体材料为天然硼的碳化硼圆柱体芯块的不锈钢包壳管组成。

国内市场上,主要是复合陶瓷材料的生产与出口,碳化硼陶瓷材料的应用还很少,但由于其优良的性能,市场潜力非常大。根据应用行业及复合陶瓷材料应用领域的不同,可以将整个国内市场分为以下几个分市场,如下表所示。

市场分析

从上表中可以看出,复合陶瓷材料市场有以下特点：

(1)市场范围广,应用领域多,复合陶瓷材料具有巨大的市场潜力,其应用涉及国防和民用的众多领域。

(2)国内复合陶瓷材料的应用大部分还处于试用阶段,市场未被全面开发,市场潜力较大。

(3)在不同的应用领域,将面临不同的市场情况,包括不同的客户和竞争情况。

仅防弹衣一项,根据美国2010年中国军力报告显示,截止到2013年底,中国军队人数将减少至230万,按每人一件防弹衣,则至少需要230万件。按照每件防弹衣需复合陶瓷材料0.0012立方米计算,则共需复合陶瓷材料2760立方米,即6955吨。而武装直升机防弹装甲和坦克披挂装甲的需求量更大,若以防弹装甲用量的两倍计算此部分需碳化硼陶瓷材料13910吨。碳化硼陶瓷材料总需求量为20865吨。

由此可以看出,市场前景广阔,具有很大的潜力。