抗彈氧化鋁Al2O3陶瓷將有怎樣的發(fā)展

抗彈Al2O3

陶瓷因其高硬度、低密度以及低成本，在防護(hù)裝甲領(lǐng)域占有重要地位，在未來的發(fā)展中，又將向哪些方面發(fā)展呢？一．透明Al2O3

陶瓷現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)裝甲系統(tǒng)的要求越來越高，不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的防護(hù)，而且要求不可妨礙士兵的行動(dòng)能力，化“被動(dòng)”為“主動(dòng)”

，發(fā)展能預(yù)先識(shí)別目標(biāo)，并利用誘餌觸發(fā)和物理摧毀方法破壞來

襲武器的“主動(dòng)裝甲”

，成為作戰(zhàn)中的一大優(yōu)勢(shì)。在該防護(hù)裝甲需求下，透明陶瓷材料因高強(qiáng)度和高硬度而得到應(yīng)用，成為可替代抗彈玻璃的防護(hù)材料，如面罩、導(dǎo)彈探測(cè)窗口、地面作戰(zhàn)車輛的保護(hù)窗等。

目前應(yīng)用的透明陶瓷材料主要有氧化鋁（藍(lán)寶石）、氮氧化鋁和鋁鎂尖晶石。有關(guān)透明Al2O3陶瓷的研究主要集中在提高透過率的理論研究及優(yōu)化制備工藝，主要研究要素包括Al2O3粉體、燒結(jié)助劑選擇以及燒結(jié)工藝三個(gè)方面。透明Al2O3陶瓷選用的粉料要求純度不低于99.9%且是α-Al2O3，粉料粒徑需小于0.3μm。Al2O3粉料中的雜質(zhì)易生成異相，增加光的散射中心，

導(dǎo)致投射光在入射方向上強(qiáng)度降低，從而降低產(chǎn)品的透明度，因此

Al2O3粉料的純度要求極高。同時(shí)，粉料應(yīng)高度分散，避免團(tuán)聚成大顆粒，喪失原始小顆粒的優(yōu)勢(shì)。透明Al2O3陶瓷燒結(jié)過程需加入微量的燒結(jié)助劑以防陶瓷內(nèi)生成氣孔，如MgO、Y2O3

、La2O3

等。研究人員在超細(xì)Al2O3粉料中添加(0.02％～0.05％)MgO+(0.02％～0.05％)Y2O3

復(fù)合助燒劑，燒結(jié)時(shí)間為2.5h時(shí)，可制備出總透光率大于80％的透明Al2O3陶瓷，如圖1中第2行樣品的2M+2Y試樣。張笑等研究了MgO對(duì)透明Al2O3陶瓷光學(xué)性能的影響，觀察圖2添加MgO的氧化鋁透明陶瓷的微觀形貌，且結(jié)合表1中的EDS能譜結(jié)果分析，Mg主要分布在氧化鋁晶粒的晶界位置以及晶粒內(nèi)部靠近晶界區(qū)域，MgO以富Mg納米顆粒在晶界區(qū)釘扎可有效抑制晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)擬合結(jié)果顯示當(dāng)MgO添加量是0.075wt%時(shí)，理論氣孔率最低，等效氣孔率適中，透光性能最好。透明Al2O3陶瓷與普通陶瓷燒結(jié)工藝基本類似，如真空燒結(jié)、常壓燒結(jié)與熱等靜壓相結(jié)合、放電等離子燒結(jié)、微波快速燒結(jié)。二．增韌Al2O3

陶瓷Al2O3陶瓷脆性大、斷裂韌性低，因此，Al2O3陶瓷的強(qiáng)韌化研究一直是一大熱點(diǎn)。Al2O3陶瓷的強(qiáng)韌化方法有多元陶瓷體系復(fù)合、功能梯度陶瓷及層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。ZrO2-Al2O3復(fù)相陶瓷中，ZrO2

顆粒作為彌散相引入有效地抑制了Al2O3晶粒生長(zhǎng)，如圖3所示，納米ZrO2

添加量在0~20wt%范圍內(nèi)，隨ZrO2含量增加，晶粒尺寸降低，比較不同Al2O3基復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)ZrO2

添加量位于20~30wt%時(shí)，復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性最優(yōu)。通過無壓燒結(jié)制備Al2O3-ZrO2

功能梯度材料，證實(shí)具有相同面密度或厚度的梯度材料的能量吸收和抗彈性能最優(yōu)。為進(jìn)一步提高陶瓷的斷裂韌性，層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)相陶瓷得到研究，典型層狀結(jié)構(gòu)如圖4所示，層狀材料可提高斷裂韌性的機(jī)理被認(rèn)為大量界面促進(jìn)了陶瓷多重開裂，圖5為層狀結(jié)構(gòu)陶瓷斷面SEM觀察及示意圖，眾多微小的脆性斷裂累計(jì)使得層狀材料擁有高于整體陶瓷的能量吸收能力。纖維增韌陶瓷復(fù)合材料是陶瓷增韌的又一方向，增韌機(jī)制主要包括裂紋偏轉(zhuǎn)、微裂紋增韌、纖維脫粘、纖維橋接及纖維拔出。纖維復(fù)合陶瓷被認(rèn)為是提供質(zhì)量減重和能量吸收的最佳組合方式，玻璃纖維和碳纖維是常用的增韌纖維，如輕型車輛吉普的面板通常使用S-2玻璃纖維，以SiC陶瓷為例，SiC纖維/SiC復(fù)合陶瓷比純SiC陶瓷的應(yīng)變量可增大9倍，加入連續(xù)碳纖維的Si3N4比純Si3N4的斷裂韌性可提高4倍多。Al2O3陶瓷的原料選擇走向精細(xì)化，對(duì)Al2O3的純度、粉料粒度等都有嚴(yán)格要求。其制備工藝已成熟化，新型的成型工藝如凝膠注模成