-
鄒小姐：13326633089 -
-
cac_sales@sina.com 
近些年，科技的快速發展我們每個人都是深有體會的，最直觀的就是電子產品的更新速度。同樣的，武器裝備也在不斷升級，在裝甲車觀瞄探測的光學窗口增設具有光學透明性、防子彈、炮彈碎片與巖石碎片沖擊的透明裝甲，可以大幅度提高車內人員的安全。
裝甲車
傳統以防彈玻璃為主的透明裝甲已難以滿足使用要求，這是由于傳統防彈玻璃需大幅度增加裝甲厚度，才能抵御大口徑步槍子彈的攻擊，但是增加厚度會帶來一系列影響：增加載具自重、降低機動性、壓縮艙內空間、損失光學性能。因此，新型防彈裝甲材料需要有高抗彈性、輕質、透明等特性。
新型透明防彈裝甲結構是由三個功能層組成：
1. 迎彈面層通常由玻璃、玻璃陶瓷或透明陶瓷制成，用于使彈丸鈍化、損傷、碎裂；
2. 中間層由玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）構成，用于能量吸收、止裂、緩解熱膨脹錯配；
3. 背彈面層通常選擇聚碳酸酯（PC），用于防碎片飛濺。
此外還有各層之間的黏結層（用于連接系統并提供多次撞擊阻力）。
新型三層功能結構透明防彈裝甲示意圖
迎彈面是整個透明防彈裝甲系統的核心。目前，迎彈面層使用的藍寶石、鎂鋁尖晶石、氮氧化鋁（AlON）材料表現出優異的光學性能和機械性能，在紫外、可見光、和近紅外波段具有良好直線透過率（超過80%），可用于紅外/可見光透明裝甲窗口。
藍寶石、鎂鋁尖晶石、氮氧化鋁材料簡介
1.藍寶石
藍寶石的主要成分為Al2O3，屬于α-Al2O3變體，它的莫氏硬度為9，僅次于金剛石。藍寶石材料是目前應用最普遍的透明裝甲用材料，最主要的原因是藍寶石比鎂鋁尖晶石、氮氧化鋁材料的技術研究更成熟，有廣泛的商業化產品選擇。目前大多數尖晶石透明陶瓷的核心問題是難以獲得高質量的原料粉體，商業粉末又存在不夠純凈或顆粒尺寸過大/過細等問題，相比較之下，藍寶石所需的單晶制備技術可避免原料因素的影響。此外，藍寶石的靜態硬度、抗彎強度和楊氏模量均高于多晶鎂鋁尖晶石和AlON，具有高化學抗性等特點。
藍寶石板
但是，藍寶石的制備成本很高，這是由于藍寶石需要較高的加工溫度以及繁瑣的工藝。單晶泡生法和直拉法制得的藍寶石為了滿足光學需求均需要大量的后處理，會導致原料利用率低；導模法（EFG）可以實現單曲平板制備，提高了原料利用率，但是需要大量鎢鉬原件，成本高昂，批次穩定性不高。此外，由于單晶生長內應力大，易發生不規則脆性開裂和解理裂紋，影響后期層合及裝配。
2.多晶鎂鋁尖晶石
多晶鎂鋁尖晶石是MgO-Al2O3系統中唯一的中間化合物。多晶鎂鋁尖晶石因為光學性能、高速沖擊抗力和生產成本之間的平衡，可以認為是最具前途的裝甲迎彈面材料之一。與藍寶石及AlON相比，多晶鎂鋁尖晶石在中紅外波段具有更高的透光率和紅外吸收邊，對于搭載有紅外探測設備的載具，具有更好的適用性；同時，具有與另外兩種材料相似的抗高速沖擊性能。除此之外，鎂鋁尖晶石密度較低，可實現大尺寸成型制備。
熱處理后的鎂鋁尖晶石透明陶瓷
多晶鎂鋁尖晶石的原料粉末可以通過機械合金化、固相燒結、溶膠－凝膠、水熱法、共沉淀和化學氣相沉積等多種方式獲得，不同合成方法決定了原料粉體的性能。但是，鎂鋁尖晶石粉末的化學計量比、雜質、粒徑和團聚體的缺陷無法通過調整工藝參數來改善。雜質不僅會影響鎂鋁尖晶石的光學性能，同時會改變界面能和晶界遷移速率，進而影響微觀結構、硬度以及高速沖擊抗力。適量的LiF燒結助劑可減少透明鎂鋁尖晶石中的雜質，但是會造成材料脆化，斷裂形式從穿晶斷裂轉變為沿晶斷裂，降低材料的高速沖擊抗力。
多晶鎂鋁尖晶石的燒結也是一個亟須解決的問題，這是因為：Mg或MgO的揮發導致產生化學計量比變化（MgO的蒸氣壓是Al2O3的103倍）及梯度；晶粒具有較高粗化傾向；低氧晶格擴散速率要求較高燒結溫度。目前透明多晶鎂鋁尖晶石是通過無壓燒結/熱等靜壓或熱壓燒結/熱等靜壓燒結的，這些工藝制造成本很高，很難生產大型板材。熱壓燒結相比于無壓燒結，提高了燒結驅動力，降低了裂紋、翹曲等風險。無壓或熱壓后的熱等靜壓處理是必須的，這一過程可以進一步降低孔隙率而提高透明性。放電等離子燒結（SPS）是近些年研究的熱點。SPS方法可以顯著降低燒結所需溫度，并提高產品力學和光學性能。然而，目前采用SPS工藝同樣無法實現大尺寸板材的制備，尺寸增加后，SPS存在的溫度梯度會導致樣品加熱不均，導致透光率損失等問題。
3.氮氧化鋁
氮氧化鋁（γ-AlON，簡稱AlON）是Al2O3-AlN二元體系中的一種固溶體物相，它是一種透明多晶陶瓷，其光學性能與藍寶石、尖晶石相當，抗彎強度接近藍寶石，明顯高于尖晶石。它可以通過先進陶瓷制備方法實現大尺寸及復雜形狀的產品的制備，因而AlON是導彈整流罩、紅外窗口材料和防彈裝甲材料的優選材料。
AlON陶瓷制備方法
AlON陶瓷的制備方法可以分為一步法和兩步法兩種。一步法一般是將原料粉末混合后經成型、燒結得到AlON陶瓷。兩步法是經粉體合成和陶瓷制備兩步，首先制備高純、單相的AlON粉末，然后通過成型和燒結得到AlON陶瓷。兩步法制備的透明AlON陶瓷，制備工藝相對復雜，成本相對較高，但最大的優點是制備的陶瓷致密度較高，是目前透明AlON陶瓷研究和應用的主要制備方法。
AlON透明陶瓷防彈裝甲與玻璃防彈裝甲防彈性能方面的對比
雖然在過去幾十年，制備手段獲得長足進步，但是在大規模制備過程中仍存在一些困難，首先是干燥過程會出現收縮現象，在生坯內部生成裂紋；其次，大尺寸AlON的燒結也會因溫度不均勻產生微觀結構的不均勻，進而導致應力雙折射現象。
透明防彈裝甲面臨的挑戰
1.透明防彈裝甲面臨的最首要的問題是單塊透明板材的尺寸基本無法滿足實際使用要求，這就需要對其進行拼接。截止目前，應用比較廣泛的方法有玻璃粘接、活潑金屬釬焊、瞬間液相連接等。
活潑金屬釬焊在工業上應用最為廣泛，主要采用Ti或其他活潑金屬（例如Zr，Nb，Cr，Y等），這些金屬與藍寶石等潤濕性良好，在800～900 ℃數分鐘即可完成釬焊，優點是連接緊密，缺點是熱膨脹系數匹配較差，在接縫處產生殘余應力，工藝要求超高真空環境，所以成本較高。
瞬間液相連接方法所需的溫度低，這是由于連接層采用多層結構，表現出優異的耐高溫性能；但是需要長時間保持才可消除連接層缺陷，因此生產周期長、工藝成本高，嚴重限制了瞬間液相連接技術的應用。
玻璃粘接方法是將多種玻璃（MgO、CaO、SiO2、TiO2、Al2O3等）形成物進行混合，作為填充材料進行燒結，該方法所需溫度較低，反應可以在非真空、非保護性氣氛下進行，也是僅有的能保持接縫透明的方法，是透明裝甲材料焊接的最佳選擇，例如使用BaTiAl6O12激光焊接藍寶石，粘接完成后仍可保持可見光波段80％的透光率。
2.透明防彈裝甲面臨的另一個問題是無法做出復雜形狀裝甲，目前絕大多數裝甲仍是平板狀，限制了載具的設計。多晶陶瓷制備技術的進步可以在一定程度上解決這一難題，但是仍存在曲面陶瓷與玻璃及有機材料形狀匹配，邊緣設計與裝配等一系列問題。
總的來說，藍寶石材料是目前工藝最為成熟的迎彈面材料，但是其制造成本很高，批次穩定性較差。多晶陶瓷材料，如鎂鋁尖晶石和氮氧化鋁，具備生產更大尺寸樣品的可能性，但是制約其發展的主要原因是難以獲得高質量原料粉體的制備和燒結工藝問題。正如藍寶石優秀的力學性能無法代表最好的防彈性能，透明裝甲作為一個功能性的系統，并不是每種組成材料的性能的簡單堆砌，需要各組件間相互協調才能發揮每種材料的最佳性能。
參考資料：
1. 劉家希，石曉東，姜良寶等。陶瓷基透明防彈裝甲研究進展（中國航發北京航空材料研究院）。
2. 吳點宇，李鑫，張小剛等。觀察探測裝置用透明裝甲材料的設計研究（中國電子科技集團公司第 33 研究所）
粉體圈 歡歡
本文為粉體圈原創作品，未經許可，不得轉載，也不得歪曲、篡改或復制本文內容，否則本公司將依法追究法律責任。