防弹陶瓷

高Al2O3和Al2O3-ZrO2陶瓷已成功的应用在个人和战车的装甲材料。高Al2O3瓷作为防弹、保护的结构材料是一种新颖的应用。美国陶瓷装甲最初是在20世纪60年代作为防子弹背心和直升机的底座而发展起来的。其主要要求是阻止子弹、炮弹的穿透和陶瓷本身重量轻(相对于金属而言)。

目前，世界各国仍在继续发展，Al2O3防弹陶瓷，其主要应用于作战时个人和战车、飞机和直升机的关键部分以及地雷爆炸等的防护。

装甲Al2O3陶瓷基于Al2O3-SiO2-CaO-MgO和Al2O3-MgO系统，含量为96，97，98，98。ZrO2陶瓷中，Al2O3与ZrO2是具有特殊的比例(Y2O3作为稳定剂)。作为主要原料的Al2O3是用已产业化的超细粉体，这些Al2O3具有高纯度(Al2O3≥99取决于Al2O3的级别，α-Al2O3的含量应为95Wt%或更高。

Al2O3粉体的D50和平均晶粒是0.35~01~1.4μm。BET分别是8~11m2/g和2~3㎡/g。而Y2O3的D50和平均晶粒尺寸为8~9m2/g。Al2O3和ZrO2粉体选择合适的比例和粒度分布，最佳的制造能力，最好的液相烧结和致密化。

对于所研究的Al2O3陶瓷(96，97，98，98.5，Wt%)的相组成和显微结构是相似的，主晶相是刚玉，随着Al2O3含量的提高，刚玉含量也相应增加。这些陶瓷中存有少量钙长石，作为杂质在刚玉晶界上也存有微量尖晶石。最终的陶瓷晶粒度取决于原始Al2O3粉体的粒度和分布，由于Al2O3粉体有较小的尺寸，因此，烧结后的陶瓷具有精细的显微结构，2~4μm和1~3μm，ZrO2-Al2O3陶瓷基于有最佳的比例和部分稳定技术，以使陶瓷有高的性能。该陶瓷不含有玻璃相，<1μm的ZrO2晶粒均匀分布于1~2μm的刚玉晶体之间，很可能在烧结时ZrO2相阻止了刚玉晶体的长大，形成一种良好的显微结构。

陶瓷和金属的防弹机理有很大的不同，金属是由于塑性变形而吸收射弹的动能，而陶瓷是由于其破裂而吸收射弹的动能。通常，陶瓷装甲系统是由单片陶瓷或陶瓷-金属复合物并覆盖有高抗张强度有机纤维结合的尼龙布层所组成(玻璃纤维亦可)。

在子弹的冲击下(速度>700~800m/s)，陶瓷正面是被破碎而剩余的能量则被反面软增强(例如尼龙布层)材料所吸收。反面材料必须能支持住子弹冲击后陶瓷材料的碎片和子弹本身。

防弹陶瓷要求的性能较多，例如:密度和气孔率、硬度、断裂韧性、杨氏模量、声速、机械强度等，任何一个性能都不能与整体防弹性能有直接和决定性的关系，因而断裂机理十分复杂，裂纹形成是由许多因素引起的，而且发生的时间十分短暂。防弹陶瓷的气孔率应尽量低，以提高硬度和杨氏模量，对Al2O3瓷来说，其气孔率应接近于零，而吸水率不超过0.02%。陶瓷的硬度要求很高，应高于飞行弹头的硬度，对Al2O3陶瓷来说，硬度Hv应超过1220~1250。声音在陶瓷中传播的速度，表示陶瓷冲击面上消耗能量的能力，希望有高的声速，高的声速也间接表示陶瓷有良好的致密化和低的封闭气孔。根据实际经验，Al2O3瓷的声速应大于10000m/s，最好是10500~11500m/s。陶瓷有两种防弹的类型，即单片陶瓷结构和陶瓷复合物结构，单片结构陶瓷包括氧化物陶瓷(主要是Al2O3瓷)和非氧化物陶瓷(例如:SiC、Si3N4、AlN和TiB2等)，以及二元系统(例如:B4C-TiB2基陶瓷)。一般来说，非氧化物陶瓷具有更高的物理性能和相对低的密度(除TiB2基陶瓷外)，作为防弹比Al2O3瓷更有利。然而，这些材料制造方法多用价格较贵的热压，不易产业化。但热压可提高防弹陶瓷的机械性能，这一点也是明显的。陶瓷基复合物具有高的防弹性能，这是因为有高的机械性能，特别是断裂韧性。在射弹冲击之后，与单片陶瓷相比，陶瓷基复合物具有较好的完整性。几种复合物陶瓷如下: Al2O3/SiC(w)，Al2O3/SiC(f)，Al2O3/C(f)，TiB2/B4C(p)，TiB2/SiC(p)以及金属陶瓷(如牌号为LanxideTM)，其组成为渗Ni/(Al)之碳化物，例如:Ni/TiC和Al/B4C(p)，这些材料多数属于热压，因而价格较贵。虽然防弹陶瓷LanxideTM不是热压工艺，但其需要特别的工艺和设备，因而价格也比较贵。