陶瓷防弹衣的作用与工艺

陶瓷最早于20世纪60年代用于直升机和个体的防护。在过去几十年中,加工工艺的进步导致人们能够使用低成本的陶瓷材料。这也促进了陶瓷材料在军事和非军事上的应用。陶瓷的种类很多,目前可用于个体防护的主要有氧化物、氮化物、碳化物等;品种有氧化铝(AlO)、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B.C)等。碳化硼密度最小,硬度最高,防弹性能最好,但因其价格昂贵,主要用于高级装备;如美国黑鹰式直升机乘员座椅;热压成型的碳化硅硬度、模量较高,密度适中,用于飞机机腹、装甲车辆;氧化铝密度较大,防弹性能中等,但价格最低廉,且烧结性能好,尺寸稳定,广泛应用于装甲车辆、机腹和军警防弹衣等。目前在陶瓷复合材料性能方面取得了很多进展,主要有两种途径∶(1)合成新型的性能更高的陶瓷材料;(2)合成更合适的背衬复合材料,优化整体结构的弹道性能。

防弹陶瓷复合板的防弹机理

防弹陶瓷板的防弹机理与防弹金属完全不同;金属主要依靠塑性变形吸收能量;陶瓷主要依靠粉碎和断裂能吸收能量。

当弹头撞击到陶瓷表面时,产生很强的压缩波,使子弹和陶瓷板的内部压力迅速增长。弹头由于压应力大于自身屈服强度而变形、钝化,甚至由于该应力超过破坏极限而破碎。试验表明,撞击时的瞬间应力达到 2800MPa;该应力波在金属和碳化硼内部的波速分别为 4800m/s 和 14400m/s;两者差距越大,作用于弹头的应力波越强。

在弹头变形的同时,陶瓷板上形成环向和径向的初始裂纹吸收动能。随着子弹的练续侵入,弹头由于与陶瓷磨蚀使碎片加剧,而陶瓷也随着初始裂纹的扩展形成连续的碎片继续吸收能量;子弹进一步深入,陶瓷面板最终由于张力作用而形成以弹头为顶点的破碎圆锥体。最后,弹头碎片及陶瓷碎片一起撞击在背衬材料上。当应力波在背衬材料上发射时,瞬间压应力转换成为拉伸应力,导致背衬材料分层的发生。背衬材料通过弯曲拉伸变形、分层以及应力波的传播吸收剩余能量。

无压烧结流程:

目前国内氧化铝防弹陶瓷生产工艺主要是∶配料混合→塑化造粒→模具压制→高温烧结。

配料:采用工业 SiC粉体,粒度1μ m(中位径),纯度≥99%;工业BC粉体,粒度2.5μ m(中位径),纯度≥93.4%;工业TiC粉体,粒度3μ m(中位径),纯度≥98%;以液体水溶性酚醛树脂,聚乙烯醇(PVA)和糊精等作为粘结剂。

混合造粒:将配方中的配比称量后和去离子水一起加入球磨机,球料比4∶1.球磨子为碳化硅材质,加入所需的粘结剂和分散剂后球磨8h,然后用离心喷雾干燥机进行雾化造粒,将造粒料混匀、过60目筛后备用。

压制烧结:称量好所需重量的造粒料,倒入钢制模具后在液压机上压制成型(成型压力1~2Tcm2),将成型后的素坯充分干燥后,放入卧式真空炉内烧结,烧成制度设定为∶2050 ℃,保温180 min,高温期间充入高纯氢气进行保护,程序结束后自然冷却。

设备选择:SIMUWU提供的RVS真空烧结炉是处理碳化硅烧结工艺的优秀产品,具有均温性好,温控精度高等特点,有助于碳化硅陶瓷的致密成型。SIMUWU提供专业的工程师团队,能够解决生产过程中遇到的各种问题,致力于给客户最方便快捷的体验。

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