碳化硼陶瓷防弹机理及应用

碳化硼陶瓷分子式B4C，呈现黑灰色，是一种主晶相陶瓷，属六方晶系。碳化硼陶瓷的密度不高，仅为2.52g/cm3，但是它的硬度则达到了维氏硬度49.5GPa，它的熔点更是达到了2450摄氏度。目前已知自然界中，碳化硼陶瓷的硬度排在第三，比它更坚硬的还有立方氮化硼和金刚石。碳化硼陶瓷尤其是热压烧结的碳化硼陶瓷具有它较大的热中子俘获截面，因此也常常用它来吸收中子，这也是很多核反应堆中经常要使用它的原因。。碳化硼陶瓷的用途较广，可以用它来加工车刀、铸模、陶瓷、宝石等，一些喷砂嘴也是用它来制造的。本次我们要重点来看看它在防弹领域的一些技术知识以及应用情况。
陶瓷防护装甲的机理
炮弹或其他弹药以高速撞击到防弹材料表面时，会产生一个强大的冲击波，当这种冲击波传播到陶瓷与聚合物黏合层的分界面时，就会产生强烈的拉抻作用以及剪切作用，使陶瓷层和聚合物粘合层造成破坏。在这两种力的作用下，陶瓷层与衬层分离。与此同时，弹头和弹药破片受压而碎裂，形成圆锥形的碎裂区。正是由于陶瓷具有硬度高的优点，才会将弹头和弹药破片的冲击波能量分解到一个较大的防护面积；从而有效阻止弹头和弹药破片，保护人员的重要部位。

碳化硼陶瓷防弹装甲

2.陶瓷防护装甲的要求
武装防弹陶瓷要求的性能较多，例如：密度和气孔率、硬度、断裂韧性、杨氏模量、声速、机械强度等，任何一个性能都不能与整体防弹性能有直接和决定性的关系，因而断裂机理十分复杂，裂纹形成是由许多因素引起的，而且发生的时间十分短暂。
防弹陶瓷的气孔率应尽量低，以提高硬度和杨氏模量，对Al2O3瓷来说，其气孔率应接近于零，而吸水率不超过0.02%。
陶瓷的硬度要求很高，应高于飞行弹头的硬度，对Al2O3陶瓷来说，硬度Hv应超过12.2～12.5GPa。
高的声速，一般通过声音在陶瓷中传播速度来表征陶瓷冲击面上消耗能量的能力，高的声速表示陶瓷有良好的致密化和低的封闭气孔。根据实际经验，Al2O3瓷的声速应大于10000m/s，最好是10500～11500m/s。
 3.陶瓷防护装甲的类型
陶瓷防护装甲一般有两种防弹类型，主要为单片陶瓷结构和复合陶瓷结构。
单片结构陶瓷包括氧化物陶瓷(主要是Al2O3)和非氧化物陶瓷(例如：B4C、SiC、Si3N4、AlN和TiB2等)，以及二元系统(例如：B4C-TiB2基复合陶瓷)。一般来说，非氧化物陶瓷具有更高的物理性能和相对低的密度（除TiB2基陶瓷外），作为防弹比Al2O3更有利。然而这些材料制造方法多用价格较贵的热压，不易产业化。但热压可提高防弹陶瓷的机械性能，这一点也是明显的。
复合陶瓷结构具有高的防弹性能，其具有更高的断裂韧性。在射弹冲击之后，与单片陶瓷相比，复合陶瓷结构具有较好的完整性。几种复合陶瓷如下：Al2O3/SiCw、Al2O3/SiCf、Al2O3/Cf、TiB2/B4Cp、TiB2/SiCp以及金属陶瓷，这些复合陶瓷需要特别的工艺和设备，因而价格也比较贵。
 4.碳化硼(B4C)陶瓷装甲
相对于其他陶瓷材料体系，B4C陶瓷具有低密度（2.52g/cm3）、超高的硬度（维氏硬度36GPa）的优越特性，目前主要用于某些对防护性能有更高要求的特殊场合，如美军的V22“鱼鹰”旋转翼飞机的机组人员座椅。另外，英军使用的增强型人体护甲（EBA）也采用了B4C陶瓷，其可以防御12.7mm钢芯穿甲弹。EBA里面还有一层“钝伤”防护层，在陶瓷受到冲击但没有被穿透、衬层发生变形时保护人体免受钝伤，从而保护人体重要器官不受伤害。英国BAE系统公司先进陶瓷分公司就生产B4C陶瓷，并且已经用作美军“拦截者”防弹衣的防护插板。

目前中国武直-10开始安装了B4C陶瓷防弹板。该陶瓷板应该与先前巴陆军测试的Z-10P上的陶瓷板相同，位于飞行员双肩处，型号为ZJYP1-9110-200，据研判可抗12.7mm弹的冲击，平时不用时可以放下。防弹陶瓷板的曝光证明武直-10的防护能力比原先估计的要更强大，相信武直-10K也应该有同样的配置。
图3武直-10碳化硼陶瓷防护装甲 
5.碳化硼陶瓷粉体细度对力学性能的影响
根据陶瓷学的基本原理我们知道，陶瓷制品生产中所使用的粉体原料粒径越小、分布越窄，越有利于降低陶瓷的烧结温度、缩短烧结所需时间，从而得到晶粒细小的陶瓷制品，这就能获得优异的力学性能及其他综合性能。所以，对于碳化硼制品生产厂家来说，选择碳化硼超细粉体进行制品生产，能从当前主要的热压烧结工艺改为无压烧结工艺，不但能降低生产成本，还能降低废品率并提高制品性能，有利于厂家自己技术与产品升级，提高产品在市场上的竞争能力。