中國粉體網訊 現代軍事的發(fā)展，離不開軍用新材料的支持，有了更為先進的軍用新材料，才能夠讓武器裝備、軍事力量更上一層樓，比如說輕量化、強韌化、飛得更遠、更耐得了攻擊等等，不同的軍用新材料有不同的用處來滿足于不同需求。先進陶瓷作為三大固體材料之一，憑借金屬材料及高分子材料所無法比擬的光 、熱、電、力等優(yōu)良性能，已經成為世界各國發(fā)展軍事的必爭之材。
01 防護材料——保護士兵的“生命之盾”
戰(zhàn)爭是殘酷無比的，尤其是隨著進入熱兵器時代，以往的防御裝備在現代槍械面前如薄紙一般，即便是國家領導人其生命安全也飽受其害。
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1901年的一天，美國總統威廉.麥肯雷被刺身亡，舉國震驚。震驚之余，美國有些人開始反思：為什么不能做一款能有效阻擋子彈的“衣服”呢？于是，人們開始尋找防彈的方法。
（圖為蘇軍在二戰(zhàn)期間裝備的“斯大林格勒”金屬硬質防彈衣，幾乎全部是由鋼板構成的。）
兩次世界大戰(zhàn)期間，人們嘗試用鋼板、鋁合金等材料做成防彈衣，但重量問題卻沒有得到解決。直到20世紀70年代，美國杜邦公司研制出一種合成纖維叫“凱夫拉”，防彈衣材料發(fā)生了歷史性變革�！皠P夫拉”吸引彈片能量是尼龍的1.6倍，鋼材料的2倍，關鍵是它徹底解決了防彈衣笨重的問題。
在裝甲方面，早期的主戰(zhàn)坦克，其鎢合金高速動能穿甲彈的初速高達1700～1800m/s，能夠在1000m的距離上擊穿800mm的均質裝甲鋼板，而發(fā)展到現在的第3代主戰(zhàn)坦克裝備的精密裝藥破甲彈的破甲威力更是可穿透1200～1500mm的均質裝甲鋼板。
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隨著彈丸材料和性能的逐步升級，裝甲材料因此面臨著很大的挑戰(zhàn)。面對威脅力日益提高的“矛”，必須鑄就堅不可摧的“盾”以提高軍事防護性能和安全等級。這一需求推動了新型裝甲材料的加速研制與廣泛應用。
如今，先進陶瓷作為一種新型防彈裝甲材料，依靠出色的性能在眾多防彈材料中脫穎而出，發(fā)展迅速，士兵車輛及直升機的安全保障也得到了極大的提升。在對重量要求非�？量痰能姍C上，陶瓷裝甲大量用于機腹、座艙、發(fā)動機等關鍵部位防護。俄羅斯米-28直升機，在座艙周圍采用陶瓷裝甲，能夠抵御數次機槍掃射，出色的防護能力，為其贏得了“飛行堡壘”的美譽。對于裝甲車輛，陶瓷復合裝甲更是提高防護能力的“秘密武器”，英國“挑戰(zhàn)者2”、法國“勒克萊爾”、俄羅斯“阿瑪塔”等主戰(zhàn)坦克，均大量裝備這種裝甲。有報道稱，英軍一輛“挑戰(zhàn)者2”坦克，先后被14枚RPG火箭彈和1枚反坦克導彈命中，內部乘員卻無一傷亡，足見先進陶瓷復合裝甲的“盾牌”功力。
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防彈陶瓷發(fā)展迅速，種類較多，在材質上主要有氧化鋁、碳化硅、碳化硼、氮化硅、硼化鈦等，其中以氧化鋁陶瓷（Al2O3）、碳化硅陶瓷（SiC）、碳化硼陶瓷（B4C）最受關注。
氧化鋁陶瓷密度最高，加工門檻較低，在成本方面優(yōu)勢巨大，依據純度分為85／90／95／99氧化鋁陶瓷，相應的硬度和價格也依次增高。
碳化硅陶瓷密度相對較低，硬度較高，屬于性價比較高的結構陶瓷，因此也是目前國內應用最廣的防彈陶瓷。
碳化硼陶瓷在這幾種陶瓷中密度最低，硬度最高，但同時其對加工工藝的要求也很高，需要高溫高壓燒結，因而成本也是這3種陶瓷中最高的，但它的防彈性能卻是這三者中最高的。在伊拉克戰(zhàn)爭期間，美軍裝備的防彈衣使得伊戰(zhàn)陣亡率較越戰(zhàn)有明顯下降。伊拉克戰(zhàn)場有足夠的實例證明，裝備帶有碳化硼防彈板“攔截者”的士兵沒有因被AK或更高級別的武器擊穿保護部位而死亡。
如今，先進陶瓷材料已廣泛應用在防彈衣、防彈裝甲、武裝直升機以及警、民用特種車輛等防護領域。不論是人體防護還是車輛裝甲防護，先進陶瓷相比于其它防彈材料如金屬板防彈材料、高性能纖維復合防彈材料、組合防彈材料等，具有高硬度和低密度等特性，可以抵御更嚴重的威脅，因此成為軍事領域的必爭之材之一。
02 天線罩——給導彈戴上“安全頭盔”
眾所周知，導彈是一種殺傷力巨大的精準打擊式武器，要想保證導彈能夠實現精準打擊，首先要保護導彈中的天線和雷達正常工作，誰來保護它呢？此時，一種叫天線罩的設計應運而生。
天線罩是保護罩內天線在惡劣環(huán)境條件下能夠正常工作的一種設施，其外形必須滿足空氣動力學要求，還需滿足力學性能、電氣性能的要求。
如果是普通航空用天線罩，樹脂基復合材料可能足以應付，但導彈用天線罩有耐高溫要求，有機材料已經不再適用，所以，陶瓷材料逐漸成為導彈天線罩的優(yōu)勢材料。
天線罩陶瓷材料的發(fā)展歷經氧化鋁陶瓷、微晶玻璃、石英陶瓷、氮化物陶瓷。時至今日，石英陶瓷已經成為超音速導彈天線罩的主要材料，如美國“愛國者”、俄羅斯的“C-300”等導彈天線罩均使用石英陶瓷，但是，就以后發(fā)展來看，石英陶瓷將不是天線罩材料的首選，原因便是其力學性能不佳，抗雨蝕性較差。
與石英陶瓷相比，氮化硅陶瓷不僅具有優(yōu)異的力學性能和很高的熱穩(wěn)定性，而且具有較低的介電常數，其抗燒蝕性能也比熔融石英好，能經受惡劣飛行條件下的熱振，因此氮化硅陶瓷也被稱為最有希望的天線罩材料。但到目前為止，有關氮化硅基陶瓷作為導彈天線罩還處于研究階段。
03 熱端材料：讓發(fā)動機不懼高溫“烤”驗
隨著軍用航空發(fā)動機推重比的不斷提高，渦輪進口溫度不斷提高。推重比7-8的第三代渦扇發(fā)動機，渦輪前進口溫度為1250-1400℃左右；推重比10的第四代渦扇發(fā)動機，渦輪前進口溫度為1550-1700℃；第五代渦扇發(fā)動機預計渦輪前進口溫度將達到1950-2150℃。
目前熱端部件采用的鎳基高溫合金主量元素鎳的熔點為1455℃，隨著單晶、熱障涂層及主動氣冷的潛力逐漸窮盡，新一代軍用航空發(fā)動機對新型耐高溫結構材料的需求愈發(fā)迫切，SiCf/SiC陶瓷基復合材料成為耐高溫結構材料首選之一。
SiCf/SiC陶瓷基復合材料是指在SiC陶瓷基體中引入SiC纖維作為增強材料，形成以引入的SiC增強纖維為分散相，以SiC陶瓷基體為連續(xù)相的復合材料。SiCf/SiC陶瓷基復合材料保留了SiC陶瓷耐高溫、高強度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊的優(yōu)點，同時兼具SiC纖維增強增韌作用，克服了SiC陶瓷斷裂韌性低和抗外部沖擊載荷性能差的先天缺陷。
采用碳化硅陶瓷基復合材料的燃燒室部件
渦輪部件、燃燒室火焰筒、噴嘴等采用SiCf/SiC陶瓷基復合材料，冷卻空氣用量可明顯減小，甚至為零，可改善燃燒條件、提高燃燒效率、降低污染排放和噪聲水平；冷卻結構可大大簡化甚至省去，從而降低結構設計的復雜性，提高工作溫度，并進一步減輕結構質量。
04 隱身材料——給武器穿上“隱身衣”
隨著電子技術的發(fā)展，新型雷達、探測器及精密制導武器相繼問世，軍事空中防御能力和反導彈能力日益增強，使得武器系統，特別是大型作戰(zhàn)武器，如飛機、導彈、艦艇、坦克等所面臨的威脅越來越大，作為提高戰(zhàn)爭中的生存能力、防衛(wèi)能力和攻擊能力的隱身技術，普遍受到世界各國的高度重視。
隱身技術是指降低目標的雷達、紅外、激光、磁信號等特征，使其在一定范圍內難以被探測，從而提高其生存能力的技術。目前主要發(fā)展的隱身材料，主要為雷達及紅外隱身，其中后者為航空發(fā)動機及高超聲速飛行器氣動加熱位置最重要的信號抑制領域。
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陶瓷材料具有優(yōu)良的力學性能和熱物理性能，特別是耐高溫、強度高、蠕變低、膨脹系數低、耐腐蝕性強和化學穩(wěn)定性好，同時又具有吸波功能，能滿足隱身的要求，因此已被廣泛用作吸收劑。據報道，美國用陶瓷基材料制成的吸波材料，加到F-117隱身飛機的尾噴管上，可以承受1093℃的高溫。
雷達隱身材料
吸波材料是最重要的隱身材料之一，一般由基體材料（或粘結劑）與吸收介質（吸收劑）復合而成。在陶瓷吸波材料中，碳化硅是制作多波段吸波材料的主要成分。國外耐高溫陶瓷吸收劑的研究報道多以碳化硅為主，日本、美國、德國對碳化硅陶瓷研究應用的重要方向之一正是吸波材料。
紅外隱身材料
實現紅外隱身最有效的途徑是控制目標的表面溫度，盡量減小目標與背景的偏差。陶瓷紅外隱身材料是一種由無機陶瓷納米材料與無機高分子材料復合而成的涂料，通過精細控制無機陶瓷納米粒子均勻分散在無機聚合物基體中，實現高效的寬頻帶電磁波吸波。具有易于實現高吸收、涂層薄、耐高溫、重量輕、吸收頻帶寬并與紅外微波吸收兼容等特點。
紅外隱身是目前航空裝備重要的、正進行的發(fā)展趨勢，我國由原殲20一款主力隱身戰(zhàn)機，已發(fā)展為多款隱身戰(zhàn)機、隱身無人機等高端裝備系列，對標先進國家，還有隱身轟炸機、隱身直升機等裝備發(fā)展增量。
05 碳陶制動盤——讓戰(zhàn)斗機快速剎停
碳陶制動最初便起源于航空技術，1969年法國宇航和英國飛機公司聯合打造的超音速客機協和式客機（the Concorde）首飛，這款飛機速度極快，從倫敦到紐約用時不到3小時，曾創(chuàng)下了航班飛行的最快紀錄。性能如此強悍的飛機自然擁有強勁的加速表現，它的平均起飛速度高達400km/h，進場速度當然也差不多這個數，要想在如此高速的情況下將一臺重達185噸的客機剎停需要有強大且耐高溫的制動系統。于是他們找到了鄧祿普（Dunlop）為協和式客機開發(fā)出世界上首套航空用碳陶制動系統，這套制動系統能將305km/h行駛的協和式客機在1600米的距離內剎停。
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隨著航空技術發(fā)展，戰(zhàn)機載重不斷增加，降落速度也隨之提高。在其他剎車系統出現故障的特殊情況下，機輪剎車系統可吸收超過300兆焦耳能量，溫度將在短時間內快速上升至上千攝氏度。過去，機輪剎車系統常因溫度過高失去制動能力。因此，戰(zhàn)機對剎車盤材料耐高溫性、穩(wěn)定性和減少變形等方面有著嚴格要求。
相比金屬剎車盤，采用碳陶剎車盤的機輪剎車系統壽命更長、摩擦性能更好，疲勞試驗證明，一般的剎車盤在1000多次飛行起降后要求更換，而碳陶剎車盤可以達到2000多次飛行起降。目前，碳陶剎車盤已成功應用到一些國家先進戰(zhàn)機制動系統，具有廣闊的發(fā)展前景。
06 電子陶瓷——軍用電子設備的必需品
按照材質不同，電容器產品主要可分為陶瓷電容器、鋁電容器、鉭電容器和薄膜電容器等。陶瓷電容器在四類主要電容器當中市場份額占比最高，達到50%以上。
多層陶瓷電容器MLCC（Multi-layerceramic capa citors）其主要功能在于旁路、去耦、濾波和儲能；是由印好電極（內電極）的陶瓷介質膜片以錯位的方式疊合起來，經過一次性高溫燒結形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極），從而形成一個類似獨石的結構體，故也叫獨石電容器。
MLCC 具有體積小、成本低、單位體積電容量大、溫度等環(huán)境因素對性能影響小等優(yōu)點，除在廣播電視、通信、計算機、家用電器、測量儀器、自動控制、醫(yī)療設備等民用電子設備產品中得到廣泛應用外，在航空航天電子設備、坦克電子設備、軍用移動通訊設備、警用袖珍式軍用計算機、武器彈頭控制和軍事信號監(jiān)控等軍用電子設備上也有越來越廣泛的用途。
07 壓電陶瓷器件——核潛艇的“眼睛”
壓電陶瓷器件不僅在工業(yè)和民用產品上用途十分廣泛，在軍事上也同樣獲得了大量的應用。如將壓電陶瓷做成水聲換能器，作為核潛艇的一雙明亮的“眼睛”，可以順利進行水下導航、通訊、偵察敵艦、清掃敵布水雷等工作；用壓電陶瓷做成的壓電引信，可以精確引燃引爆破甲彈等殺傷性武器；再如壓電陶瓷制作的壓電陀螺，是航空航天不可或缺的“舵手”等等。
08 透明陶瓷——觀察敵情，化“被動”為“主動”
現代戰(zhàn)爭對裝甲系統的要求越來越高，不僅要求能夠實現全方位的防護，還要求不能妨礙士兵們的行動能力，隨時觀察敵情，化“被動”為“主動”，并利用誘餌觸發(fā)和物理摧毀方式破壞來襲武器的“主動裝甲”，成為作戰(zhàn)中的一大優(yōu)勢。
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以單晶氧化鋁（藍寶石）、氮氧化鋁和鎂鋁尖晶石為代表的透明陶瓷，因為具有很高的強度和硬度，在戰(zhàn)場上也屬于上面介紹的防彈陶瓷的一種，之所以在此單獨介紹，是因為它同時兼具良好的光學性能，所以能替代防彈玻璃，在單兵防彈面罩、導彈探測窗口、車輛觀察窗、潛艇潛望鏡等軍事裝備上加以應用，該類陶瓷已被不少軍事強國列為21世紀重點發(fā)展的光功能透明材料之一。
小結
除此之外，先進陶瓷在軍事領域的應用還有很多，例如，現在連士兵用的槍械也成了陶瓷一顯身手之地，用陶瓷代替金屬材料制作的槍管襯套，不僅提高了槍管的耐燒蝕性能，延長了使用壽命，而且減輕了重量，又便于生產和維修；有的陶瓷材料潤滑作用十分突出，可使坦克炮塔轉動靈活，可使槍管潤滑而提高彈丸初速 15%，同時提高武器使用壽命；光敏陶瓷可用作導彈紅外探側器和熱成像瞄準；光反射陶瓷可作激光和遠紅外的反射屏；激光陶瓷可作固體激光器......
“兵者，國之大事，死生之地，存亡之道，不可不察也�！庇纱丝梢�，一個國家的強大離不開其國防和軍事工業(yè)的發(fā)展。先進陶瓷作為一種新型高性能材料，越來越受到世界各國材料科學工作者及軍械專家的關注。隨著研究的進一步深入，先進陶瓷必將給軍事高技術領域帶來一場巨大變革。
參考來源：
[1]先進陶瓷在航空航天軍用市場中應用.特種陶瓷聯盟
[2]矛與盾的較量：防彈裝甲陶瓷材料大揭秘.粉體網
[3]子彈VS防彈，延續(xù)幾千年的攻防較量，防彈陶瓷是如何崛起的.粉體網
[4]軍工新材料之特種陶瓷材料在軍工領域的應用.無機非金屬材料科學
[5]鄧湘云等.MLCC 的發(fā)展趨勢及在軍用電子設備中的應用
[6]揭秘：陶瓷咋成了防彈“新星”.解放軍報
（中國粉體網編輯整理/山川）
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