陶瓷装甲

陶瓷装甲是装甲车辆和个人护甲所使用的一种装甲,通过高硬度和抗压强度以防止弹丸将其穿透。陶瓷装甲最基本的形式有两个主要组成部分:外表面的陶瓷层,称为“冲击面”,紧随其后是延展性纖維強化塑膠复合材料或金属层。陶瓷的作用是:(1)在承受撞击时使弹头断裂或变形,(2)在弹头穿透破碎的陶瓷层时侵蚀并减缓弹头残骸,(3)将冲击能量散布至更大范围,这些冲击可被延展性聚合物或金属衬底吸收。陶瓷常用于需要轻量化的部位,因为在相同阻滞强度下,陶瓷比金属合金轻。最常见的陶瓷材料是氧化铝、碳化硼,以及较少的碳化硅。

历史
早在1918年的测试就展示了陶瓷装甲的潜力;内维尔·门罗-霍普金斯少校()发现,在钢材上加一层薄薄的搪瓷极大提升了其弹道性能。

陶瓷车辆装甲的一次有记载的应用是在1950年的朝鲜战争中,这是美国陆军的一项创新,将钢甲包裹在矽酸鹽核心周围。

直到越南战争期间,直升机才首次投入实战应用,当时直升机经常遭受轻武器射击。1965年,直升机机组配备了陶瓷防弹衣,飞行员座椅上也加装了“硬面复合”装甲套件。到次年,整体陶瓷背心和机体装甲板也完成了安装。对UH-1直升機而言,这些改进使死亡人数减少了约53%,非致命伤害减少了27%。

设计
陶瓷装甲的设计范围涵盖单片板到采用三维矩阵的系统不等。陶瓷装甲的首个专利1967年由公司申请。此专利中,将氧化铝陶瓷球嵌入薄铝片,这些薄膜被分层排列,每层的球体填补周围层球之间的空隙,类似于体心立方晶系结构。整个系统由和厚铝、多层(UHMWPE)、对芳香聚酰胺纤维或30% 加70%环氧复合材料支撑。这一发展揭示了基于矩阵设计的有效性,并推动了其他基于矩阵系统的开发。大多数此类材料结合了圆柱形、六角形或球形陶瓷元素,并配有一些非装甲专用的合金底层。

对于载具陶瓷装甲,背衬材料最常见的是结构钢,常为軋壓均質裝甲,也有使用铝材的装甲。对于防弹衣,陶瓷装甲设计师致力于使陶瓷装甲板尽可能轻便舒适,背衬材料通常是轻质复合材料,也有芳香聚酰胺纤维复合材料——而在低端陶瓷装甲板或为固定穿戴者(如直升机机组人员)设计的板中, 有时也会使用玻璃钢。

面对高爆反坦克彈时,陶瓷装甲的陶瓷元件会破坏成形装药产生的金属射流的几何外形,大大降低穿透力。

防弹衣通常使用不同的陶瓷材料。这些包括一些氧化物陶瓷(主要是含有不同Al2O3含量的氧化铝陶瓷)和非氧化物陶瓷(主要是碳化物、氮化物、硼化物及其组合)。尽管密度很高(最高可达3.95 g/cm3),氧化铝陶瓷因其具有相对较高的物理性能、低成本以及可通过多种方法进行制造,因而被广泛用于弹道防护。例如,无需昂贵设备(如浇注、冲压等)进行注塑成型。这些材料价格低廉且制造能力良好。相比之下,非氧化物陶瓷,如碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)等(除二硼化钛基陶瓷B4C–SiC、SiC–Si3N4外)等,密度较低,范围为2.5至3.3 g/cm3(对防弹衣很重要)。这些材料具有很高的机械性能,例如材料硬度、杨氏模量、强度。然而在大多数情况下,这些陶瓷是通过热压(反应烧结)工艺生产的,热压成本高且产量低。非反应烧结(热压)材料,如商业生产的SiC陶瓷,比热压材料更便宜。然而,由于制造过程中需要具备控制气温和极高温度的特殊冶炼炉进行烧结,因此价格仍然相对昂贵。反应烧结(热压)碳化硅(RBSC)和硼质化物(RBBC),以及其他一些反应烧结碳化物陶瓷,因其相对低成本、物理性能优异且易于制备成较大尺寸,也被广泛应用于装甲领域。与的碳化物基陶瓷相比,这些反应烧结材料在冲击情况下也表现出更好的完整性。

应用
个人盔甲
常用作软质防彈背心的内衬。大多数用于防弹衣的陶瓷板都获得了美国III型防护,能够阻挡步枪子弹。陶瓷板是一种复合装甲。插入板也可以由钢或。

陶瓷板通常会套入软质防弹背心的外层。可能有两块板,一个在前,或者一个在后,或者在前后各有一个通用板。部分背心支持在侧面插入小板以增加保护面。

美国武装部队发放的陶瓷板称为增强型(ESAPI)。

NIJ III级陶瓷装甲板的重量约为,尺寸为典型尺寸——。还有其他类型的板,有不同尺寸,提供不同级别的保护。例如,MC板()比标准陶瓷板多19%的覆盖面积。

陶瓷材料、材料加工以及陶瓷穿透力学的进展是学术和工业活动的重要领域。陶瓷盔甲研究领域广泛,或许美国陶瓷学会()对这一领域总结得最为透彻。ACerS多年来一直举办年度装甲会议,并于2004至2007年编纂了论文集。与防弹背心相关的一个特殊领域是应用新兴的小型陶瓷组件。大型躯干尺寸的陶瓷板制造复杂,使用过程中容易出现裂纹。单体板由于其巨大的冲击断裂区,多重抗击打能力有限,这也是新型装甲板出现的契机。新设计方案采用二维和三维陶瓷元件阵列,这些元件可以是刚性、柔性或半柔性的。就是其中之一,尽管美军多次测试未通过并被拒绝。欧洲在球形和六边形阵列方面的发展,带来了具有一定灵活性和多重抗击打性能的产品。制造具有柔性且稳定防弹性能的阵列系统是陶瓷元件最尖端的研究领域。此外,先进的陶瓷加工技术阵列依赖于粘合剂组装法。一种新颖方法是使用钩环紧固件组装陶瓷阵列。

引文

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