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装甲陶瓷材料的新发展

作者: 发布于:2013-07-23 文字:【 】【 】【
    陶瓷材料具有高强度高硬度耐磨、耐蚀、密度小等特点,但陶瓷的脆性大、韧性低成为其应用上的一大障碍。近年来通过大量研究,在陶瓷增韧方面已取得了重大成果,如碳化硅、氧化铝、氧化锆方面。美国海军为建造无人深海潜水器,采用氧化铝陶瓷作耐压壳。结果表明,在潜海6069米处所取得的数据,完全满足设计要求,比采用Ti-6Al-4V合金的壳体有效载荷提高了166%。由于陶瓷吸能效率和耐磨性好,因此可在轻型坦克、装甲车辆和部分舰船上使用。
    陶瓷的另一特点是具有耐高温性能。因此可以制造陶瓷发动机或燃气机的某些零部件,如涡轮机的缸套、喷嘴、叶片等,可以进一步提高工作温度和热效率。
    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。
    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。
    陶瓷材料的发展促进了氧化铝装甲制造公司提高其产品的能力。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。
    陶瓷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。然而由于陶瓷的脆性大,被弹丸撞击后会碎成破片,所以实际应用中常以复合装甲形式出现。
    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”装甲加上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,希望不久能看见其工作成果。
    M立方体技术公司最近推出了一种反应化合碳化砌新产品,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砌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棚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砌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。
    许多公司认为,碳化硅或氧化铝将仍然是大多数车辆装甲用的材料。Cercom公司的专家认为,在弹丸击中某一位置时,碳化硼在冲击作用下变得脆弱,而碳化硅则强度较高,较硬,除非碳化硼出现奇迹,否则碳化硅将是车辆选择的较好装甲材料。
    虽然氧化铝的密度比SiC和B4C的密度高,但它经过进一步的改进,也可能成为车辆装甲强有力的竞争者。主要原因是,由于每磅氧化铝的价格比其它陶瓷材料低,氧化铝还具有较好的抗多发弹丸打击能力,效费比也最高。

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