抗弹氧化铝Al2O3陶瓷将有怎样的发展

抗弹Al2O3

陶瓷因其高硬度、低密度以及低成本，在防护装甲领域占有重要地位，在未来的发展中，又将向哪些方面发展呢？一．透明Al2O3

陶瓷现代战争对装甲系统的要求越来越高，不仅要求能够实现全方位的防护，而且要求不可妨碍士兵的行动能力，化“被动”为“主动”

，发展能预先识别目标，并利用诱饵触发和物理摧毁方法破坏来

袭武器的“主动装甲”

，成为作战中的一大优势。在该防护装甲需求下，透明陶瓷材料因高强度和高硬度而得到应用，成为可替代抗弹玻璃的防护材料，如面罩、导弹探测窗口、地面作战车辆的保护窗等。

目前应用的透明陶瓷材料主要有氧化铝（蓝宝石）、氮氧化铝和铝镁尖晶石。有关透明Al2O3陶瓷的研究主要集中在提高透过率的理论研究及优化制备工艺，主要研究要素包括Al2O3粉体、烧结助剂选择以及烧结工艺三个方面。透明Al2O3陶瓷选用的粉料要求纯度不低于99.9%且是α-Al2O3，粉料粒径需小于0.3μm。Al2O3粉料中的杂质易生成异相，增加光的散射中心，

导致投射光在入射方向上强度降低，从而降低产品的透明度，因此

Al2O3粉料的纯度要求极高。同时，粉料应高度分散，避免团聚成大颗粒，丧失原始小颗粒的优势。透明Al2O3陶瓷烧结过程需加入微量的烧结助剂以防陶瓷内生成气孔，如MgO、Y2O3

、La2O3

等。研究人员在超细Al2O3粉料中添加(0.02％～0.05％)MgO+(0.02％～0.05％)Y2O3

复合助烧剂，烧结时间为2.5h时，可制备出总透光率大于80％的透明Al2O3陶瓷，如图1中第2行样品的2M+2Y试样。张笑等研究了MgO对透明Al2O3陶瓷光学性能的影响，观察图2添加MgO的氧化铝透明陶瓷的微观形貌，且结合表1中的EDS能谱结果分析，Mg主要分布在氧化铝晶粒的晶界位置以及晶粒内部靠近晶界区域，MgO以富Mg纳米颗粒在晶界区钉扎可有效抑制晶粒长大，同时拟合结果显示当MgO添加量是0.075wt%时，理论气孔率最低，等效气孔率适中，透光性能最好。透明Al2O3陶瓷与普通陶瓷烧结工艺基本类似，如真空烧结、常压烧结与热等静压相结合、放电等离子烧结、微波快速烧结。二．增韧Al2O3

陶瓷Al2O3陶瓷脆性大、断裂韧性低，因此，Al2O3陶瓷的强韧化研究一直是一大热点。Al2O3陶瓷的强韧化方法有多元陶瓷体系复合、功能梯度陶瓷及层状结构设计等。ZrO2-Al2O3复相陶瓷中，ZrO2

颗粒作为弥散相引入有效地抑制了Al2O3晶粒生长，如图3所示，纳米ZrO2

添加量在0~20wt%范围内，随ZrO2含量增加，晶粒尺寸降低，比较不同Al2O3基复相陶瓷的力学性能，发现ZrO2

添加量位于20~30wt%时，复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性最优。通过无压烧结制备Al2O3-ZrO2

功能梯度材料，证实具有相同面密度或厚度的梯度材料的能量吸收和抗弹性能最优。为进一步提高陶瓷的断裂韧性，层状结构设计的复相陶瓷得到研究，典型层状结构如图4所示，层状材料可提高断裂韧性的机理被认为大量界面促进了陶瓷多重开裂，图5为层状结构陶瓷断面SEM观察及示意图，众多微小的脆性断裂累计使得层状材料拥有高于整体陶瓷的能量吸收能力。纤维增韧陶瓷复合材料是陶瓷增韧的又一方向，增韧机制主要包括裂纹偏转、微裂纹增韧、纤维脱粘、纤维桥接及纤维拔出。纤维复合陶瓷被认为是提供质量减重和能量吸收的最佳组合方式，玻璃纤维和碳纤维是常用的增韧纤维，如轻型车辆吉普的面板通常使用S-2玻璃纤维，以SiC陶瓷为例，SiC纤维/SiC复合陶瓷比纯SiC陶瓷的应变量可增大9倍，加入连续碳纤维的Si3N4比纯Si3N4的断裂韧性可提高4倍多。Al2O3陶瓷的原料选择走向精细化，对Al2O3的纯度、粉料粒度等都有严格要求。其制备工艺已成熟化，新型的成型工艺如凝胶注模成