揭秘:陶瓷咋成了防弹“新星”

2020-08-14 14:04:36 来源:解放军报

  原标题:军事科学院系统工程研究院高级工程师马天为您讲述——

    陶瓷咋成了防弹“新星”

防弹陶瓷块。

  “泥沙入手经抟埴,光色便与寻常殊。”这是一首咏叹精美瓷器的诗句。陶瓷,拥有的独特形状、成色、质地,千百年来它不仅成为人们生活中常用的器具,也成为让人赏心悦目的艺术品。

  在大家的印象里,陶瓷是脆性的,轻轻一摔,一件价值连城的古瓷瞬间即可“粉身碎骨”。但是你知道吗,陶瓷经由现代科技“摇身一变”,因其物理特性竟能充当防弹材料,堪称是防弹领域冉冉升起的一颗“新星”。

  试想一下,战场上一颗小小的子弹,能给士兵带来致命伤害,易碎的陶瓷却能挡住高速飞行的子弹。它的“功力”从何而来?下面,让我们一起走进防弹陶瓷的世界一探究竟。

  高强硬质,复合装甲

  防弹陶瓷,属于无机非金属材料家族中的一员。严格意义上讲,与我们日常生活中使用的瓷器并非同一类材料。作为特种陶瓷,区别于就地取土成坯烧制的陶瓷器皿,防弹陶瓷的制备需要经过一系列粉体制备、成型加工、高温烧结等复杂工序,是化学、冶金、材料等现代技术快速发展的产物。

  早在1918年就有记载称,在钢质装甲表面涂上一层瓷釉,可以显著提升其防弹性能。但真正意义上的防弹陶瓷,是上世纪60年代后才出现的。

  防弹陶瓷之所以能够防弹,是因为它具备极高的硬度和强度。子弹撞击高强高硬的陶瓷后,发生破碎并引起陶瓷碎裂,整个过程将消耗子弹大部分的能量,并在弹着点处形成一个“倒金字塔”型破坏锥。这也是陶瓷受弹击后典型的被破坏形貌。

  当然,由于陶瓷的脆性,仅仅依靠陶瓷自身,还不能做到“万无一失”。防弹陶瓷一般放在迎弹面,要与其他的背衬材料粘接在一起,组成复合装甲共同使用。背衬材料一般选用对位芳纶或超高分子量聚乙烯等纤维增强复合材料,主要功能是吸收剩余弹道冲击能量。

  为了提高陶瓷的抗多次打击能力,往往还要在陶瓷面板上包覆高强纤维织物,防止弹击造成的裂纹扩展。高强硬质陶瓷与刚性背衬的组合,构成现代陶瓷复合装甲的基本结构。

    战火洗礼,生命之盾

  上世纪60年代,美军在越南丛林中的直升机和乘员经常受到地面轻武器的杀伤。为了降低装备战损和乘员伤亡,1962年,美国一家航空航天公司首次开发出正面为硬质陶瓷的复合装甲,将氧化铝陶瓷块粘到薄约6毫米的韧性铝背板上,用以抵御7.62毫米穿甲弹的射击。也就是在这个时期,美军开启了防弹陶瓷大规模军事应用的先河。

  由于同等条件下,陶瓷较金属重量大大降低,在对重量要求非常苛刻的军机上,陶瓷装甲大量用于机腹、座舱、发动机等关键部位防护。俄罗斯米-28直升机,在座舱周围采用陶瓷装甲加强,能够抵御数次机枪扫射,出色的防护能力,为其赢得了“飞行堡垒”的美誉。对于装甲车辆,陶瓷复合装甲更是提高防护能力的“秘密武器”,英国“挑战者2”、法国“勒克莱尔”、俄罗斯“阿玛塔”等主战坦克,均大量装备这种装甲。有报道称,英军一辆“挑战者2”坦克,先后被14枚RPG火箭弹和1枚反坦克导弹命中,内部乘员却无一伤亡,足见现代陶瓷复合装甲的“盾牌”功力。

  当重型装备纷纷披挂上轻质高强的陶瓷“铠甲”后,人们又将目光转向了穿梭在枪林弹雨中的士兵。其实,早在二战战场上,就出现过钢制防弹胸甲。因过于笨重,它并不受士兵们欢迎。上世纪70年代,美军推出柔软轻便的凯夫拉防弹衣。尽管它在防护低速枪弹和爆炸破片方面有不俗表现,但遇到步枪发射的高速子弹时,防护上往往“力不从心”。其实,所谓的“防弹”并非“刀枪不入”,而是根据防护能力进行分级防护。某个防护等级的装备,只能满足防护该级别和更低级别枪弹的要求。影视剧里那种“金刚不坏”的防弹衣是不存在的。

  为了提高防护能力,科学家们想到将防弹陶瓷制成插板,与软体防弹衣配合使用,犹如古代铠甲上的“护心镜”。这样,既能大幅提升人体核心部位的防护能力,又兼顾了穿着者的机动性。刚开始,是利用小块陶瓷拼接成插板。随着技术的进步,人们更多采用整块陶瓷,以消除小块陶瓷片因有拼接缝隙而存在的薄弱点,有的还制成曲面以贴合人体。这也是当前防弹插板的基本样式。目前,防弹陶瓷制备技术已日臻成熟,成为保护士兵的“生命之盾”。

    科技助力,再作升级

  经过数十年的发展,目前广泛应用的防弹陶瓷种类很多,包括氧化铝、碳化硅、碳化硼、氮化硅、硼化钛等。其中,最常见的是氧化铝、碳化硅和碳化硼陶瓷。随着武器系统的升级换代,传统的单相陶瓷已经不能满足现实军事需求,特别是对防弹装备的要求越来越高。因此,防弹陶瓷开始朝着多元化、复合化、功能化方向发展——

  功能梯度陶瓷。通过微观组分设计,使得陶瓷性能发生有规律性的连续变化。比如硼化钛与金属钛以及氧化铝、碳化硅、碳化硼、氮化硅与金属铝等金属/陶瓷复合体系,在厚度方向上,形成一种结构变化,确保防弹陶瓷从迎弹面的高硬度过渡到背弹面的高韧性。这样,既可满足装甲抗弹要求,又可增强其抗多发弹能力,在防护中小口径穿甲弹时具有较大优势。

  纳米复相陶瓷。在单相陶瓷的基础上,添加亚微米级或纳米级分散粒子,构成复相陶瓷。如碳化硅-氮化硅-氧化铝、碳化硼-碳化硅等,可以在一定范围内改善陶瓷的硬度、韧性和强度。有报道称,国外正在探索将纳米尺度的粉体黏结在一起的烧结工艺,能够把陶瓷晶粒尺寸减小到几十纳米,从而提高材料硬度和强度。这是未来先进陶瓷装甲的一个主要发展方向。

  透明陶瓷。以单晶氧化铝(蓝宝石)、氮氧化铝和镁铝尖晶石为代表的透明陶瓷,因为具有很高的强度和硬度,同时兼具良好的光学性能,所以能替代防弹玻璃,在单兵防弹面罩、导弹探测窗口、车辆观察窗、潜艇潜望镜等军事装备上加以应用。由于能低成本制造大尺寸、复杂形状透明部件,这样的陶瓷,已被不少军事强国列为21世纪重点发展的光功能透明材料之一。

  目前,无论是在军事上,还是在民用技术领域中,陶瓷应用都极其广泛。可以预见,古老的矛与盾的故事,仍将在未来战场上演精彩的强强对决。