现代战争中，防弹装甲材料是不可缺少的生存之本，是军事武器的关键技术之一。从装甲材料的历史发展来看，从传统的金属材料（钢、铝），到现在先进的陶瓷材料、复合材料（聚合物基、金属基、陶瓷基），装甲材料一直向着轻量、高效的方向发展。装甲防护的基本原理是消耗射弹能量、使射弹减速并达到无害，金属材料通过结构发生塑性变形来吸收能量，而陶瓷材料则是通过微破碎过程吸收能量。

而金属防弹材料对于坦克、军舰、装甲车等的防护起到了重要的作用，但对于军机和人体的近身防护，由于密度较大，会影响战术性能发挥，因此在发展中防弹陶瓷由于轻量和性价比逐渐在众多领域取代了金属装甲。

防弹陶瓷

在国内外常用的众多防弹陶瓷材料中，碳化硼（B₄C）由于密度最低，弹性模量较高，硬度高，使其成为军事装甲和空间领域材料方面炙手可热的良好选择，目前已广泛应用于防弹衣、防弹装甲、武装直升机以及警、民用特种车辆等防护领域。

几种常用防弹陶瓷材料性能对比

碳化硼防弹陶瓷制备方法的选择

目前碳化硼防弹材料主要通过烧结法制备。纯碳化硼在烧结过程中通常存在烧结温度高、烧结后所得陶瓷致密度低，断裂韧性较差等问题。工业上一般采用无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、放电等离子烧结等技术烧结碳化硼。

小编了解到，对于目前的防弹陶瓷制造来说，热压烧结是国内碳化硼陶瓷企业最倾向于采用的制备方式，那么其中到底有什么门道呢？

首先，我们要弄清楚防弹陶瓷最需求的性能是什么。

当被子弹射中后，防弹陶瓷经历了三个过程：（1）初始撞击阶段：弹丸撞击陶瓷表面，使弹头变钝，在陶瓷表面粉碎形成细小且坚硬的碎块区的过程中吸收能量；（2）侵蚀阶段：变钝的弹丸继续侵蚀碎块区，形成连续的陶瓷碎片层；（3）变形、裂缝和断裂阶段：最后陶瓷中产生张应力使陶瓷碎裂，随后背板变形，剩余的能量全部由背板材料的变形所吸收。弹丸撞击陶瓷的过程中，弹丸和陶瓷均受到破坏。

通俗来讲，防弹陶瓷要足够“硬”，能在撞击过程中破坏弹体，防弹陶瓷还需要足够“韧”，能在撞击过程中释放应力吸收能量，由于陶瓷是脆的，所以这个“韧”指的不是产生塑性变形的韧性，而是断裂韧性。

材料性能对防弹性能的影响

因此，碳化硼陶瓷的烧结工艺要尽量利用反应过程中的化学驱动力、微裂纹增韧等作用来达到既能降低碳化硼的烧结温度又能提高制品的综合性能的效果。

陶瓷致密度越高，陶瓷晶粒越细，陶瓷整体的硬度就越高。而要想提高陶瓷材料的断裂韧性，可以从细化晶粒、提高结构均匀性、减少缺陷尺寸等方面入手，其增韧机制有相变增韧、纤维补强增韧、颗粒弥散增韧。

撞击产生后，在拉伸载荷作用下，断裂首先发生在非均质处如孔隙和晶界上。因此，为使微观应力集中降低到最小程度，防弹陶瓷应当是孔隙率低（达理论密度值的99%）和细晶粒结构的高质量陶瓷。

常用的几种烧结技术各有优劣，通过以下各自的优缺点对比可知，综合设备工艺成熟度和生产成本，以及关键性能等因素，目前工业上制作质量更优、防弹效果更好的碳化硼陶瓷最适合的方法，就是热压烧结。

典型碳化硼防弹陶瓷制备工艺

热压烧结的作用机制

热压烧结是指将干燥、混合均匀的碳化硼粉料填充入高强石墨模具内，一边加热一边从单轴方向加压，是成型和烧结相结合的一种烧结方法。其优势之一是不需要单独的成型工艺。

促进热压烧结进行的因素主要有两个：通电产生的焦耳热和加压造成的塑性变形。热压的过程中会造成塑性流动和颗粒重排、应变诱导孪晶、晶界滑移、蠕变以及后阶段重结晶与体积扩散相结合等物质迁移。

由于粉料在加热加压进行时处于热塑性状态，有利于颗粒扩散和传质过程的进行，能有效降低烧结温度，减少烧结时间，因而可获得致密度高、气孔小而少、晶粒细小和力学性能良好的碳化硼陶瓷制品。

热压烧结的性能

通常热压烧结条件为：真空或惰性气氛压力20～40 MPa，温度2200～2 300 ℃，保温时间0.5～2h。碳化硼是共价键很强的化合物，在高温下烧结扩散速率慢，物质流动发生较少，使其致密化过程非常困难。

在热压烧结过程中致密化的三种连续机制:

（1）粒子重排，开口气孔率降低，闭口气孔率保持不变(温度范围：1800～1950℃)；

（2）塑性流动，导致开口气孔率的关闭，而不会对闭口气孔产生显著影响(1 950～2100℃)；

（3）热压结束时的体积扩散和气孔消除(2100～2200℃)。

碳化硼致密化

此外，为了降低烧结温度和表面能、提高碳化硼陶瓷的综合性能，必须加入添加剂来促进碳化硼的热压烧结。添加剂包括烧结助剂或第二相反应烧结，在高温高压条件下，可以促进烧结，控制晶粒长大，提高力学性能，获得高致密度、高性能的碳化硼陶瓷产品。

目前加入的添加剂主要包括金属单质( Fe、Al、Ni、Ti、Cu、Cr 等)、金属氧化物(Al2O3、TiO2等)、过渡金属碳化物(CrC、VC、WC、TiC等)及其他添加剂(AlF3、MgF2、Be2C、Si等)。添加剂通过它本身或与碳化硼发生原位反应，将形成一个非易失性的第二相，帮助致密化和性能的提高。

在防弹陶瓷领域，通常做成的形状是圆柱形、正方形和正六边形，其中圆柱形陶瓷的防弹能力最好，但存在较大的空隙；正方形陶瓷块有较多防弹性能差的直通缝，影响其防弹性能；正六边形陶瓷综合性能较好，但要求陶瓷块的形状尺寸要精确。对于当前的热压工艺，能满足大部分需求形状的碳化硼陶瓷的制备。

结语

总体来说，热压烧结具有以下优势：

（1）热压时，由于粉料处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流动和致密化，所需的成型压力仅为冷压法的1/10；

（2）由于同时加温、加压，有助于粉末颗粒的接触和扩散、流动等传质过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，抑制了晶粒的长大；

（3）热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体，容易得到细晶粒的组织，易得到具有良好机械性能、电学性能的产品；

（4）能生产形状较符合要求、尺寸较精确的产品；

（5）粉末粒度、硬度对热压过程影响小，适合压制硬而脆的材料。

在目前的工业生产中，采用热压烧结能制备出防弹效果更佳的防弹陶瓷，如何保证碳化硼陶瓷在高硬度的前提下，提高材料的韧性，提高防弹产品抗弹丸多次连续打击的能力，是目前碳化硼陶瓷需要持续研究的重要方向。

参考来源：

1.防弹陶瓷的研究现状与发展趋势，孙志杰、吴燕、张佐光、仲伟江、沈建明；

(北京航空航天大学材料科学与工程系)；

2. 防弹装甲中的陶瓷材料，吴燕平、燕青芝；(北京科技大学材料科学与工程学院)；

3. 碳化硼陶瓷的制备工艺及其应用现状，聂丹、王帅、邢鹏飞、王晓峰、李欣、孟凡兴、刘坤、雷敏军、都兴红；(东北大学冶金学院)；

粉体圈 小吉