近些年，科技的快速发展我们每个人都是深有体会的，最直观的就是电子产品的更新速度。同样的，武器装备也在不断升级，在装甲车观瞄探测的光学窗口增设具有光学透明性、防子弹、炮弹碎片与岩石碎片冲击的透明装甲，可以大幅度提高车内人员的安全。

装甲车

传统以防弹玻璃为主的透明装甲已难以满足使用要求，这是由于传统防弹玻璃需大幅度增加装甲厚度，才能抵御大口径步枪子弹的攻击，但是增加厚度会带来一系列影响：增加载具自重、降低机动性、压缩舱内空间、损失光学性能。因此，新型防弹装甲材料需要有高抗弹性、轻质、透明等特性。

新型透明防弹装甲结构是由三个功能层组成：

1. 迎弹面层通常由玻璃、玻璃陶瓷或透明陶瓷制成，用于使弹丸钝化、损伤、碎裂；

2. 中间层由玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）构成，用于能量吸收、止裂、缓解热膨胀错配；

3. 背弹面层通常选择聚碳酸酯（PC），用于防碎片飞溅。

此外还有各层之间的黏结层（用于连接系统并提供多次撞击阻力）。

新型三层功能结构透明防弹装甲示意图

迎弹面是整个透明防弹装甲系统的核心。目前，迎弹面层使用的蓝宝石、镁铝尖晶石、氮氧化铝（AlON）材料表现出优异的光学性能和机械性能，在紫外、可见光、和近红外波段具有良好直线透过率（超过80%），可用于红外/可见光透明装甲窗口。

蓝宝石、镁铝尖晶石、氮氧化铝材料简介

1.蓝宝石

蓝宝石的主要成分为Al₂O₃，属于α-Al₂O₃变体，它的莫氏硬度为9，仅次于金刚石。蓝宝石材料是目前应用最普遍的透明装甲用材料，最主要的原因是蓝宝石比镁铝尖晶石、氮氧化铝材料的技术研究更成熟，有广泛的商业化产品选择。目前大多数尖晶石透明陶瓷的核心问题是难以获得高质量的原料粉体，商业粉末又存在不够纯净或颗粒尺寸过大/过细等问题，相比较之下，蓝宝石所需的单晶制备技术可避免原料因素的影响。此外，蓝宝石的静态硬度、抗弯强度和杨氏模量均高于多晶镁铝尖晶石和AlON，具有高化学抗性等特点。

蓝宝石板

但是，蓝宝石的制备成本很高，这是由于蓝宝石需要较高的加工温度以及繁琐的工艺。单晶泡生法和直拉法制得的蓝宝石为了满足光学需求均需要大量的后处理，会导致原料利用率低；导模法（EFG）可以实现单曲平板制备，提高了原料利用率，但是需要大量钨钼原件，成本高昂，批次稳定性不高。此外，由于单晶生长内应力大，易发生不规则脆性开裂和解理裂纹，影响后期层合及装配。

2.多晶镁铝尖晶石

多晶镁铝尖晶石是MgO-Al₂O₃系统中唯一的中间化合物。多晶镁铝尖晶石因为光学性能、高速冲击抗力和生产成本之间的平衡，可以认为是最具前途的装甲迎弹面材料之一。与蓝宝石及AlON相比，多晶镁铝尖晶石在中红外波段具有更高的透光率和红外吸收边，对于搭载有红外探测设备的载具，具有更好的适用性；同时，具有与另外两种材料相似的抗高速冲击性能。除此之外，镁铝尖晶石密度较低，可实现大尺寸成型制备。

热处理后的镁铝尖晶石透明陶瓷

多晶镁铝尖晶石的原料粉末可以通过机械合金化、固相烧结、溶胶－凝胶、水热法、共沉淀和化学气相沉积等多种方式获得，不同合成方法决定了原料粉体的性能。但是，镁铝尖晶石粉末的化学计量比、杂质、粒径和团聚体的缺陷无法通过调整工艺参数来改善。杂质不仅会影响镁铝尖晶石的光学性能，同时会改变界面能和晶界迁移速率，进而影响微观结构、硬度以及高速冲击抗力。适量的LiF烧结助剂可减少透明镁铝尖晶石中的杂质，但是会造成材料脆化，断裂形式从穿晶断裂转变为沿晶断裂，降低材料的高速冲击抗力。

多晶镁铝尖晶石的烧结也是一个亟须解决的问题，这是因为：Mg或MgO的挥发导致产生化学计量比变化（MgO的蒸气压是Al₂O₃的103倍）及梯度；晶粒具有较高粗化倾向；低氧晶格扩散速率要求较高烧结温度。目前透明多晶镁铝尖晶石是通过无压烧结/热等静压或热压烧结/热等静压烧结的，这些工艺制造成本很高，很难生产大型板材。热压烧结相比于无压烧结，提高了烧结驱动力，降低了裂纹、翘曲等风险。无压或热压后的热等静压处理是必须的，这一过程可以进一步降低孔隙率而提高透明性。放电等离子烧结（SPS）是近些年研究的热点。SPS方法可以显著降低烧结所需温度，并提高产品力学和光学性能。然而，目前采用SPS工艺同样无法实现大尺寸板材的制备，尺寸增加后，SPS存在的温度梯度会导致样品加热不均，导致透光率损失等问题。

3.氮氧化铝

氮氧化铝（γ-AlON，简称AlON）是Al₂O₃-AlN二元体系中的一种固溶体物相，它是一种透明多晶陶瓷，其光学性能与蓝宝石、尖晶石相当，抗弯强度接近蓝宝石，明显高于尖晶石。它可以通过先进陶瓷制备方法实现大尺寸及复杂形状的产品的制备，因而AlON是导弹整流罩、红外窗口材料和防弹装甲材料的优选材料。

AlON陶瓷制备方法

AlON陶瓷的制备方法可以分为一步法和两步法两种。一步法一般是将原料粉末混合后经成型、烧结得到AlON陶瓷。两步法是经粉体合成和陶瓷制备两步，首先制备高纯、单相的AlON粉末，然后通过成型和烧结得到AlON陶瓷。两步法制备的透明AlON陶瓷，制备工艺相对复杂，成本相对较高，但最大的优点是制备的陶瓷致密度较高，是目前透明AlON陶瓷研究和应用的主要制备方法。

AlON透明陶瓷防弹装甲与玻璃防弹装甲防弹性能方面的对比

虽然在过去几十年，制备手段获得长足进步，但是在大规模制备过程中仍存在一些困难，首先是干燥过程会出现收缩现象，在生坯内部生成裂纹；其次，大尺寸AlON的烧结也会因温度不均匀产生微观结构的不均匀，进而导致应力双折射现象。

透明防弹装甲面临的挑战

1.透明防弹装甲面临的最首要的问题是单块透明板材的尺寸基本无法满足实际使用要求，这就需要对其进行拼接。截止目前，应用比较广泛的方法有玻璃粘接、活泼金属钎焊、瞬间液相连接等。

• 活泼金属钎焊在工业上应用最为广泛，主要采用Ti或其他活泼金属（例如Zr，Nb，Cr，Y等），这些金属与蓝宝石等润湿性良好，在800～900 ℃数分钟即可完成钎焊，优点是连接紧密，缺点是热膨胀系数匹配较差，在接缝处产生残余应力，工艺要求超高真空环境，所以成本较高。
  

• 瞬间液相连接方法所需的温度低，这是由于连接层采用多层结构，表现出优异的耐高温性能；但是需要长时间保持才可消除连接层缺陷，因此生产周期长、工艺成本高，严重限制了瞬间液相连接技术的应用。

• 玻璃粘接方法是将多种玻璃（MgO、CaO、SiO2、TiO₂、Al₂O₃等）形成物进行混合，作为填充材料进行烧结，该方法所需温度较低，反应可以在非真空、非保护性气氛下进行，也是仅有的能保持接缝透明的方法，是透明装甲材料焊接的最佳选择，例如使用BaTiAl₆O₁₂激光焊接蓝宝石，粘接完成后仍可保持可见光波段80％的透光率。
  

2.透明防弹装甲面临的另一个问题是无法做出复杂形状装甲，目前绝大多数装甲仍是平板状，限制了载具的设计。多晶陶瓷制备技术的进步可以在一定程度上解决这一难题，但是仍存在曲面陶瓷与玻璃及有机材料形状匹配，边缘设计与装配等一系列问题。

总的来说，蓝宝石材料是目前工艺最为成熟的迎弹面材料，但是其制造成本很高，批次稳定性较差。多晶陶瓷材料，如镁铝尖晶石和氮氧化铝，具备生产更大尺寸样品的可能性，但是制约其发展的主要原因是难以获得高质量原料粉体的制备和烧结工艺问题。正如蓝宝石优秀的力学性能无法代表最好的防弹性能，透明装甲作为一个功能性的系统，并不是每种组成材料的性能的简单堆砌，需要各组件间相互协调才能发挥每种材料的最佳性能。

 

参考资料：

1. 刘家希，石晓东，姜良宝等。陶瓷基透明防弹装甲研究进展（中国航发北京航空材料研究院）。

2. 吴点宇，李鑫，张小刚等。观察探测装置用透明装甲材料的设计研究（中国电子科技集团公司第 33 研究所）

 

粉体圈 欢欢

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。