劉家希，石曉東，姜良寶，李曉宇，王敏博，顏 悅

(1 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2 北京市先進(jìn)運(yùn)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)透明件工程技術(shù)研究中心，北京 100095；3 新時(shí)代工程咨詢有限公司，北京 100088)

隨著武器裝備的不斷發(fā)展，對(duì)載具防護(hù)的要求也在日益增強(qiáng)。針對(duì)軍用直升機(jī)和地面載具駕駛艙的保護(hù)材料，要在兼具透明性的前提下，大幅度提升應(yīng)對(duì)機(jī)(車)身正面和側(cè)面的抗彈擊傷亡能力，有效提高載具被擊中后的人員生存概率，保證人員安全，滿足軍用載具高生存力設(shè)計(jì)要求。在過(guò)去數(shù)十年，防彈玻璃因?yàn)槌杀镜?、易于批量生產(chǎn)、透光度高等特點(diǎn)，一直是透明防彈裝甲的主要材料。據(jù)報(bào)道，2015年度的全球防彈玻璃產(chǎn)值為23.96億美元，預(yù)計(jì)到2021年，該數(shù)字將達(dá)到約40億美元[1]。然而，伴隨著載具輕量化、集約化的要求，對(duì)透明裝甲材料的要求也不斷提高。如果以傳統(tǒng)防彈玻璃作為主材，要抵御大口徑步槍子彈的攻擊，就要大幅度增加裝甲厚度。這會(huì)造成一系列負(fù)面影響：增加載具自重、降低機(jī)動(dòng)性、壓縮艙內(nèi)空間、損失光學(xué)性能。美軍曾為高機(jī)動(dòng)性多用途輪式車輛(HMMWV，漢姆威)額外配裝“裝甲生存工具包”，其中透明裝甲就占到車輛總重的30%以上，然而僅覆蓋了車身15%的外部面積[2]，所以透明裝甲減重對(duì)于實(shí)現(xiàn)載具輕量化至關(guān)重要。因此，開(kāi)展高抗彈性輕質(zhì)陶瓷基透明裝甲研究是十分必要的。

新型透明防彈裝甲結(jié)構(gòu)由三個(gè)功能層組成：使彈丸鈍化、損傷、碎裂的迎彈面層；能量吸收、止裂、緩解熱膨脹錯(cuò)配的中間層；防碎片飛濺的背彈面層。此外還有各層之間的黏結(jié)層(用于連接系統(tǒng)并提供多次撞擊阻力)[3-5]，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。迎彈面通常由玻璃、玻璃陶瓷或透明陶瓷制成，中間層由玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)構(gòu)成，而背彈面通常選擇聚碳酸酯(PC)。

圖1 新型三層功能結(jié)構(gòu)透明防彈裝甲示意圖Fig.1 Schematic diagram of transparent bulletproof armor with three-layer functional structure

目前透明裝甲的研究和設(shè)計(jì)工作，更多仍是基于經(jīng)驗(yàn)方法。對(duì)于透明裝甲材料的變形、破壞行為及各功能層之間的相互作用和集成機(jī)理仍缺少深入的認(rèn)識(shí)。因此本文對(duì)陶瓷基透明裝甲相關(guān)研究進(jìn)行綜述，重點(diǎn)介紹目前作為迎彈面的三種透明陶瓷的優(yōu)缺點(diǎn)及研究進(jìn)展，透明裝甲破壞行為分析研究，透明裝甲不同功能層所起到的作用及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1 迎彈面陶瓷材料研究進(jìn)展

迎彈面是整個(gè)透明防彈裝甲系統(tǒng)的核心。陶瓷材料由于更高的硬度和抗壓強(qiáng)度，成為目前最為先進(jìn)的透明裝甲材料，通常用于抵抗最致命威脅的場(chǎng)景。當(dāng)迎彈面層使用單晶藍(lán)寶石，多晶AlON或鎂鋁尖晶石等透明陶瓷材料時(shí)，相比于玻璃材料可以減重減薄達(dá)30%～60%[4]。

1.1 藍(lán)寶石

藍(lán)寶石材料是目前應(yīng)用最為普遍的透明裝甲用陶瓷材料，最主要的原因在于三種陶瓷材料中藍(lán)寶石的技術(shù)研究更為成熟，具有廣泛的商業(yè)化產(chǎn)品選擇。目前大多數(shù)尖晶石透明陶瓷的核心問(wèn)題是難以獲得高質(zhì)量的原料粉體，商業(yè)粉末又存在不夠純凈或顆粒尺寸過(guò)大/過(guò)細(xì)等問(wèn)題[6]，相較之下，藍(lán)寶石因其所需單晶制備技術(shù)可避免原料因素影響。此外，藍(lán)寶石的靜態(tài)硬度、抗彎強(qiáng)度和楊氏模量均高于多晶鎂鋁尖晶石和AlON，具有高化學(xué)抗性，廣泛的可用性等特點(diǎn)。

但是，由于藍(lán)寶石需要較高的加工溫度以及繁瑣的工藝，使得其制備成本很高。單晶泡生法(KY)和直拉法(CZ)制得的藍(lán)寶石為了滿足光學(xué)需求均需要大量的后處理，由此導(dǎo)致原料利用率低的問(wèn)題；導(dǎo)模法(EFG)可以實(shí)現(xiàn)單曲平板制備，提高了原料利用率，但是需要大量鎢鉬原件，成本高昂，批次穩(wěn)定性不高。此外，由于單晶生長(zhǎng)內(nèi)應(yīng)力大，易發(fā)生不規(guī)則脆性開(kāi)裂和解理裂紋，影響后期層合及裝配。盡管存在著以上提到的這些問(wèn)題，但是目前藍(lán)寶石陶瓷依然是透明裝甲的主流材料。不過(guò)隨著技術(shù)的深入，通過(guò)晶粒納米化、晶粒定向生長(zhǎng)、固態(tài)晶粒生長(zhǎng)法等手段，多晶Al2O3的光學(xué)性能也在不斷提高[7]。在不久的將來(lái)有希望獲得具有與單晶藍(lán)寶石相當(dāng)光學(xué)與力學(xué)性能的多晶Al2O3材料[8]。

1.2 多晶鎂鋁尖晶石

多晶鎂鋁尖晶石是MgO-Al2O3系統(tǒng)中唯一中間化合物。多晶鎂鋁尖晶石因?yàn)槠涔鈱W(xué)性能、高速?zèng)_擊抗力和生產(chǎn)成本之間的平衡，是最具前途的裝甲迎彈面材料之一。相比于藍(lán)寶石及AlON，多晶鎂鋁尖晶石在中紅外波段具有更高的透光率和紅外吸收邊，這對(duì)于搭載有紅外探測(cè)設(shè)備的載具，具有更好的適用性；同時(shí)具有與另外兩種陶瓷材料相似的抗高速?zèng)_擊性能，但楊氏模量和硬度略低[9]。目前，多晶鎂鋁尖晶石難以通過(guò)常規(guī)燒結(jié)手段達(dá)到透明所需的理論致密度，這是因?yàn)樗鼘?duì)粉末尺寸、團(tuán)聚體、雜質(zhì)和助劑都十分敏感。

多晶鎂鋁尖晶石的原料粉末可以通過(guò)機(jī)械合金化、固相燒結(jié)、溶膠-凝膠、水熱法、共沉淀和化學(xué)氣相沉積等多種方式獲得，不同合成方法決定了原料粉體的性能。鎂鋁尖晶石粉末的化學(xué)計(jì)量比、雜質(zhì)、粒徑和團(tuán)聚體的缺陷無(wú)法通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)改善。雜質(zhì)不僅影響鎂鋁尖晶石的光學(xué)性能，同時(shí)會(huì)改變界面能和晶界遷移速率，進(jìn)而影響微觀結(jié)構(gòu)、硬度以及高速?zèng)_擊抗力[10]。適量LiF燒結(jié)助劑可減少透明鎂鋁尖晶石中的雜質(zhì)，但是會(huì)造成材料脆化，斷裂形式從穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔眩档筒牧系母咚贈(zèng)_擊抗力[11]。

多晶鎂鋁尖晶石的燒結(jié)是一個(gè)亟須解決的問(wèn)題，這是因?yàn)椋?Mg或MgO的揮發(fā)導(dǎo)致產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量比變化(MgO的蒸氣壓是Al2O3的103倍)及梯度；晶粒具有較高粗化傾向；低氧晶格擴(kuò)散速率要求較高燒結(jié)溫度[12-13]。目前商用透明多晶鎂鋁尖晶石是通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)/熱等靜壓或熱壓燒結(jié)/熱等靜壓燒結(jié)的，這些工藝制造成本依舊高昂，幾乎難以生產(chǎn)大型板材。熱壓燒結(jié)相比于無(wú)壓燒結(jié)，提高了燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，降低了裂紋、翹曲等風(fēng)險(xiǎn)[14]。無(wú)壓或熱壓后的熱等靜壓處理是必須的，這一過(guò)程可以進(jìn)一步降低孔隙率而提高透明性。放電等離子燒結(jié)(SPS)是近些年研究的熱點(diǎn)。SPS方法可以顯著降低燒結(jié)所需溫度，并提高產(chǎn)品力學(xué)和光學(xué)性能[15-16]。然而，目前采用SPS工藝同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)大尺寸板材的制備，尺寸增加后，SPS存在的溫度梯度會(huì)導(dǎo)致樣品加熱不均，導(dǎo)致透光率損失等問(wèn)題。

1.3 AlON陶瓷

AlON是一種缺陷立方尖晶石結(jié)構(gòu)的多晶透明陶瓷，化學(xué)式可表示為Al(64+x)/3O32-xNx(2≤x≤5)。AlON的合成方法有多種，如氧化鋁的碳熱氮化、氧化鋁和氮化鋁的等離子熔煉或微波合成、氧化鋁與氮化硼的反應(yīng)燒結(jié)。AlON的燒結(jié)方法也主要是反應(yīng)燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)、熱壓和熱等靜壓等傳統(tǒng)燒結(jié)工藝。因?yàn)楣に嚭?jiǎn)便、原料易得、產(chǎn)品污染小等優(yōu)勢(shì)，目前最廣泛的制備手段是氧化鋁和氮化鋁之間的反應(yīng)。20世紀(jì)70年代美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室和Raytheon公司開(kāi)展了透明AlON的研究，使得Raytheon在20世紀(jì)末成為唯一可以生產(chǎn)高質(zhì)量AlON陶瓷的公司。而后，Surmet公司獲得了技術(shù)轉(zhuǎn)讓，并通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)實(shí)現(xiàn)了批量化大尺寸AlON陶瓷的生產(chǎn)及工程化應(yīng)用，目前已實(shí)現(xiàn)約0.74 m2的、高光學(xué)質(zhì)量AlON透明陶瓷，如圖2所示，并可以通過(guò)無(wú)縫拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)更大尺寸樣品的制備[17]。

圖2 Surmet公司制造的面積約0.74 m2的AlON陶瓷板[17]Fig.2 Photograph of about 0.74 m2 inspection polished AlON window blanks fabricated by Surmet[17]

雖然在過(guò)去幾十年，制備手段獲得長(zhǎng)足進(jìn)步，但是在大規(guī)模制備過(guò)程中尚存在一些困難，首先是干燥過(guò)程會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，在生坯內(nèi)部生成裂紋；其次，大尺寸AlON的燒結(jié)也會(huì)因溫度不均勻產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力雙折射現(xiàn)象。

1.4 迎彈面層材料性能比較

三種陶瓷材料的力學(xué)性能如表1所示[17-20]。藍(lán)寶石的靜態(tài)力學(xué)性能除抗壓強(qiáng)度外，均優(yōu)于另外兩種陶瓷材料。甚至是一些動(dòng)態(tài)特性，例如Hugoniot彈性極限(HEL)等，藍(lán)寶石同樣優(yōu)于其他材料[21]。然而許多研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際的防彈測(cè)試中，結(jié)果是鎂鋁尖晶石和AlON等多晶陶瓷的防彈性能更高。例如Swab等比較了V50(發(fā)生50%完全穿透的概率時(shí)的速率)與透明裝甲面密度之間的關(guān)系，結(jié)果顯示AlON和鎂鋁尖晶石的V50相對(duì)于藍(lán)寶石分別提高了約5%和10%[22]。Patterson等通過(guò)對(duì)每種材料V50除以相同面積材料質(zhì)量的結(jié)果也得出了相類似的結(jié)論，多晶陶瓷的性能優(yōu)于藍(lán)寶石和玻璃[23]。許多研究從這些材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、沖擊響應(yīng)和斷裂行為三個(gè)角度，為這種防彈性能與力學(xué)參數(shù)之間的差異做出了解釋。

表1 三種迎彈面陶瓷材料的靜態(tài)力學(xué)性能Table 1 Static mechanical properties of three kinds of ceramic materials of strike face

Haney等采用動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓痕法分別分析了藍(lán)寶石和鎂鋁尖晶石的裂紋擴(kuò)展特性[24-25]，結(jié)果顯示無(wú)論動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)壓痕，藍(lán)寶石壓痕裂紋擴(kuò)展都是沿著特定晶體學(xué)平面?zhèn)鞑?，而與壓痕對(duì)角線方向無(wú)關(guān)。相比之下，鎂鋁尖晶石的壓痕擴(kuò)展行為就受加載速率影響較大。鎂鋁尖晶石在靜態(tài)壓痕實(shí)驗(yàn)中，壓痕裂紋起初沿對(duì)角線方向延伸，遇到晶界后則偏離初始軌跡沿晶界擴(kuò)展；而在動(dòng)態(tài)壓痕實(shí)驗(yàn)時(shí)，裂紋出現(xiàn)了明顯的穿晶斷裂現(xiàn)象。

采用沖擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這兩種相異的裂紋擴(kuò)展模式對(duì)防彈性能的影響[24],實(shí)驗(yàn)使用直徑4.76 mm鋼球以280 m/s的速率撞擊尖晶石和藍(lán)寶石棒狀樣品。尖晶石產(chǎn)生混合型裂紋，可以將裂紋區(qū)分為兩個(gè)不同區(qū)域，接近撞擊點(diǎn)區(qū)域，發(fā)生高度碎裂，在這一區(qū)域彈丸能量通過(guò)穿晶、沿晶斷裂，碎裂物質(zhì)的膨脹，粉碎物質(zhì)噴射動(dòng)能的方式耗散。而在遠(yuǎn)離撞擊點(diǎn)的區(qū)域，則主要是以沿晶斷裂為主，結(jié)構(gòu)完整性也得以保留。相比之下藍(lán)寶石的斷裂則主要是沿特定晶體學(xué)平面的定向長(zhǎng)裂紋形式出現(xiàn)，并形成了等間隔的c軸取向的嚴(yán)重碎裂帶。這就造成藍(lán)寶石出現(xiàn)毫米尺寸的大塊碎片，結(jié)構(gòu)完整性遭到嚴(yán)重破壞。同時(shí)沖擊點(diǎn)附近噴射物質(zhì)非常少。撞擊尖晶石的鋼球受到噴射物的沖擊，不僅使鋼球減速，同時(shí)沖蝕鋼球，鋼球表面具有明顯塑性變形、斷裂、沖蝕痕跡。而藍(lán)寶石沒(méi)有形成這種細(xì)碎噴射物，大碎片被彈丸推開(kāi)，因此表面只發(fā)生塑性變形和斷裂，缺少?zèng)_蝕痕跡。

通過(guò)對(duì)能量耗散形式的分析，將尖晶石相較于藍(lán)寶石更優(yōu)的防彈性能歸因于以下3點(diǎn)：(1)尖晶石的多晶性質(zhì)導(dǎo)致更高的單位體積斷裂面密度，而藍(lán)寶石沿晶體學(xué)平面形成長(zhǎng)裂紋斷裂密度較低。尖晶石斷裂產(chǎn)生的能量耗散更大；(2)尖晶石由于材料破碎流動(dòng)而耗散的能量要高出藍(lán)寶石一個(gè)數(shù)量級(jí)。細(xì)化的碎片可以有效減速和沖蝕入射的子彈，從而顯著減少?gòu)椡枨謴匕邪宓膭?dòng)能。另一方面，藍(lán)寶石沿特定晶面的斷裂，大碎片被從彈丸路徑中推開(kāi)，無(wú)法阻止子彈進(jìn)入靶板更深的地方；(3)藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)完整性損失更大。雖然碎片運(yùn)動(dòng)是一種有效的能量耗散手段，但是藍(lán)寶石的大塊碎片無(wú)法阻礙進(jìn)一步的侵徹，因此也會(huì)造成嚴(yán)重的危害。

2 透明裝甲破壞行為分析

依據(jù)1.4節(jié)中的討論，彈擊動(dòng)態(tài)加載情況下，材料力學(xué)參數(shù)和實(shí)際防彈性能存在不一致的現(xiàn)象；此外也通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)理解了藍(lán)寶石作為迎彈面材料防彈性能不如多晶陶瓷的原因。而在本節(jié)中，將繼續(xù)通過(guò)其他研究者對(duì)透明裝甲破壞行為的研究，進(jìn)一步理解不同材料、不同結(jié)構(gòu)裝甲在高應(yīng)變速率下的裂紋形核、拓展，缺陷影響，和材料失效情況等。

高應(yīng)變速率的動(dòng)態(tài)測(cè)試(102～104s-1)相比于準(zhǔn)靜態(tài)情況(10-3～10-2s-1)下材料失效行為會(huì)有較大差異。準(zhǔn)靜態(tài)情況下，材料一般是從最主要缺陷失效，而且應(yīng)變特征較為單一。而在動(dòng)態(tài)加載情況下，會(huì)同時(shí)出現(xiàn)拉、壓、彎等多種應(yīng)力形式，應(yīng)力體積也是準(zhǔn)靜態(tài)下的數(shù)百到數(shù)千倍，從而激活了更大的缺陷分布、微觀結(jié)構(gòu)不均勻性和其他應(yīng)力集中區(qū)域而發(fā)生失效。沖擊發(fā)生后，一般會(huì)在材料體內(nèi)出現(xiàn)三類應(yīng)力波：分別為面波(瑞利波)、縱波(壓縮波)和剪切波。在彈擊這種法向載荷的情況下，能量分布大致是瑞利波67%，剪切波26%，壓縮波7%。盡管瑞利波能量較高，但除了具有明顯表面缺陷的材料，一般導(dǎo)致材料失效的關(guān)鍵波仍是壓縮波和剪切波。具有更大能量的剪切波，可以使得裂紋生長(zhǎng)、傳播并聚集成損傷前沿[26]。

McCauley等針對(duì)AlON、藍(lán)寶石和層合玻璃板進(jìn)行了邊緣沖擊實(shí)驗(yàn)，通過(guò)透射光的陰影圖和反射偏振光記錄裂紋擴(kuò)展和應(yīng)力波傳播[27]。

2.1 AlON陶瓷破壞行為分析

AlON陶瓷遵循多晶陶瓷受沖擊時(shí)的典型裂紋擴(kuò)展模式，即有一個(gè)半圓形的主裂紋區(qū)，這一區(qū)域的裂紋未分化，以連貫的大裂紋為主。而在主裂紋區(qū)前有一些分立的圓形陰影區(qū)域，這是在應(yīng)力波作用下的裂紋中心，即裂紋形核發(fā)生的區(qū)域[28]。即使材料是透明的，但是不代表沒(méi)有任何的體缺陷，一些應(yīng)力集中區(qū)域，都會(huì)成為裂紋形成和拓展的應(yīng)力集中源。

AlON陶瓷遭受高速率碰撞和低速率碰撞之間沒(méi)有明顯的損傷形態(tài)差異。一個(gè)可能的解釋是AlON的非彈性或塑性變形機(jī)制減緩了裂紋/損傷的拓展。斷裂機(jī)制除了沿晶裂紋外，還有明顯的穿晶解理機(jī)制在發(fā)揮作用。通過(guò)對(duì)AlON內(nèi)的應(yīng)力波進(jìn)行計(jì)算機(jī)計(jì)算模擬，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中觀察到的損傷區(qū)域基本上對(duì)應(yīng)于由于波傳播而發(fā)生剪切的區(qū)域，壓縮波可以從現(xiàn)有缺陷(應(yīng)力強(qiáng)度/濃度區(qū)域)激活裂紋，這會(huì)把傳遞的壓力增加到臨界水平，然后隨著橫波的傳播，裂紋將開(kāi)始廣泛生長(zhǎng)[29]。

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，Zhang等采用計(jì)算機(jī)模擬還原相似參數(shù)下鋼柱彈丸沖擊AlON多晶陶瓷板的應(yīng)變能密度和損傷演變[30]。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)損傷發(fā)展有兩個(gè)階段：第一階段是快速移動(dòng)的損傷前沿導(dǎo)致的大規(guī)模碎裂，而進(jìn)入第二階段則過(guò)渡為從損傷前沿萌生的移動(dòng)相對(duì)緩慢的局部裂紋擴(kuò)展。平板的厚度中心和邊緣的損傷情況不同，損傷首先發(fā)生在表面上，然后才到達(dá)中心層。與外表面切片層相比，中心層的損傷較少。這一差異會(huì)在厚度更大、晶粒更多的樣品中愈發(fā)明顯。

使用改進(jìn)的Kolsky桿和高速相機(jī)記錄AlON在單軸和高應(yīng)變速率壓縮情況下的動(dòng)態(tài)失效[31]，加載速率155 MPa/μs?？疾鞈?yīng)用單軸約束狀態(tài)和無(wú)約束狀態(tài)的應(yīng)力變化，有約束樣品相對(duì)于無(wú)約束樣品最大應(yīng)力從3.5 GPa上升到4.5 GPa，壓縮應(yīng)力-時(shí)間曲線斜率出現(xiàn)了明顯變化，表明轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詸C(jī)制。邊緣約束抑制了裂紋的形成，增加了最大承載應(yīng)力，允許納/微米解理激活，使得變形機(jī)制變?yōu)轭愃扑苄孕巫兊姆菑椥宰冃螜C(jī)制。

2.2 藍(lán)寶石陶瓷破壞行為分析

在1.4小節(jié)中討論了藍(lán)寶石陶瓷在動(dòng)態(tài)過(guò)程中解理的重要性。在本節(jié)中通過(guò)更可控的邊緣沖擊實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步理解藍(lán)寶石的斷裂機(jī)理。

圖3(a)是39.1 g的鋼球彈丸撞擊藍(lán)寶石方向1(沖擊平行于a軸，正對(duì)鏡頭平面為(0001)面，如圖4(b)所示)后不同時(shí)刻的高速攝像照片[27]。通過(guò)裂紋演化照片可以看到第一個(gè)裂紋，在撞擊后立即出現(xiàn)，可能沿著棱柱狀解理面(m面)，在試樣中切出一個(gè)大約120°角的圓錐體(裂紋A,B)。2.7 μs后，可見(jiàn)第三條主斷裂，沿沖擊方向(裂紋C)直線擴(kuò)展。大約8 μs后，裂紋以約60°的角度從錐形裂紋上分叉，并沿沖擊方向生長(zhǎng)。裂紋C也以約55°的角度從中心斷裂處分叉。圖3(c)是采用54 g柱狀彈丸對(duì)樣品進(jìn)行沖擊后不同時(shí)刻的高速攝像照片，撞擊后1.2 μs的照片顯示，裂紋的形成是從彈丸邊緣開(kāi)始的，在此處剪切應(yīng)力占主導(dǎo)地位。3 μs后，在彈丸前方形成了一個(gè)密集的斷裂帶，形成了近半圓形。因?yàn)殇撝鶑椡璧臎_擊能量更高，就造成了與鋼球模型沖擊(裂紋沿晶體學(xué)方向/解理面拓展)的明顯不同，有效解理面無(wú)法控制損傷前沿形貌，更加接近多晶AlON的斷口形貌。

圖3 藍(lán)寶石邊緣沖擊實(shí)驗(yàn)照片[27](a) 39.1 g的鋼球彈丸撞擊藍(lán)寶石方向1(沖擊平行于a軸，正對(duì)鏡頭平面為(0001)面)的高速攝影照片；(b)沖擊前樣品照片以及交叉偏振器中觀察到的干涉圖照片；(c)采用54 g鋼柱彈丸和與圖(a)相同條件的邊緣沖擊實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 High-speed photographs of edge on impact test of sapphire[27](a)high-speed photographs of the steel sphere(39.1 g) impact on sapphire at orientation 1 (c-axis perpendicular to plate,impact parallel to a-axis);(b)photograph of specimen before impact,illustrating the impact configuration (top) and conoscopic (viewed in crossed polars) interference figure image;(c)high-speed photographs of steel cylinder (54 g) impact on sapphire at orientation 1

2.3 層合玻璃破壞行為分析

圖4是采用不同速率球形彈丸對(duì)整體玻璃沖擊后不同時(shí)刻的正面高速照片。圖4(a)是以100 m/s彈丸速率為代表的彈丸未侵徹玻璃(100～500 m/s)的損傷特征，高度離散斷裂是主要的失效模式：沖擊后形成斷裂錐，徑向裂紋延伸至玻璃片邊緣。圖4(b)是以500 m/s彈丸速率為代表的未侵徹向侵徹過(guò)渡的中間速率(500～550 m/s)損傷特征，同時(shí)存在粉碎和離散斷裂，離散斷裂(裂紋中心)領(lǐng)先于主損傷前沿，從而引發(fā)進(jìn)一步損傷，并最終與主損傷區(qū)結(jié)合，這一損傷形貌也與多晶陶瓷邊緣沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。圖4(c)是以800 m/s彈丸速率為代表的侵徹速率(550～800 m/s)的損傷特征，通過(guò)大量碎裂失效，并發(fā)展為單一損傷前沿[33]。針對(duì)玻璃材料的邊緣沖擊實(shí)驗(yàn)顯示，與多晶材料相似，玻璃材料同樣是在連貫的主損傷區(qū)前有若干分離的裂紋中心區(qū)域。

圖4 采用100 m/s(a)，500 m/s(b)和800 m/s(c)速率球形彈丸對(duì)整體玻璃沖擊后的正面高速照片[33]Fig.4 Progression of damage for 100 m/s(a), 500 m/s (b) and 800 m/s (c) impact [33]

在對(duì)層合玻璃進(jìn)行邊緣沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，壓縮應(yīng)力波會(huì)從每層玻璃板的后邊緣以拉伸波形式反射。當(dāng)?shù)谝粚硬Ａp壞，且第二層玻璃后邊緣應(yīng)力波已經(jīng)發(fā)生反射，則第二層玻璃的損傷可能會(huì)由拉伸波引起，破壞發(fā)生在第二層玻璃的后邊緣。從以上結(jié)果應(yīng)該注意到，防彈裝甲的第二層同樣會(huì)承受很強(qiáng)的應(yīng)力波作用而極易發(fā)生損壞，因此在透明裝甲的設(shè)計(jì)過(guò)程中除考慮中間層的能量吸收作用外，也應(yīng)該考慮該層的強(qiáng)度要求。

3 陶瓷基透明裝甲材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

正如藍(lán)寶石優(yōu)秀的力學(xué)性能無(wú)法代表最好的防彈性能，透明裝甲作為一個(gè)功能性的系統(tǒng)，并不是每種組成材料的性能的簡(jiǎn)單堆砌，還與系統(tǒng)中各組件之間也會(huì)發(fā)生相互作用類型以及相互間影響程度有關(guān)。一個(gè)直觀的例子可以證明此觀點(diǎn)，在剛性背底支撐(鋼)的情況下，材料的防彈質(zhì)量效率與迎彈面材料的硬度存在正相關(guān)關(guān)系；然而當(dāng)采用較軟背底支撐(鋁)時(shí)，裝甲的防彈性能與硬度之間的關(guān)聯(lián)性消失[34]。本工作將探討各功能層的主要作用、影響材料選用的因素以及裝甲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

3.1 透明裝甲迎彈面材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常將彈丸及迎彈面材料的相互作用分為兩個(gè)不同的階段——停留階段及侵徹階段。停留階段是指彈丸撞擊在迎彈面上，而未發(fā)生穿入，從彈丸失效的角度來(lái)看，這一階段的最主要目的是延長(zhǎng)彈丸停留時(shí)間，從而確保彈丸尖端最大程度地鈍化、碎裂。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，則需要材料具有較高的剛度(高楊氏模量)，以及高非彈性變形阻力(可以通過(guò)細(xì)化晶粒實(shí)現(xiàn))。而侵徹階段，則是彈丸進(jìn)入迎彈面材料中，主要的彈丸失效方式變?yōu)樗苄宰冃我约疤沾伤槠姆聪驀娚鋵?duì)彈丸的沖蝕。因此這一階段，獲得相對(duì)大尺寸的高硬度碎片，可以有效增加沖蝕效果(大尺寸碎片要求可以有效沖蝕彈丸，而非1.4節(jié)中無(wú)噴射效果的藍(lán)寶石宏觀碎片)。而為了獲得較大的碎片尺寸，要求迎彈面材料有較小的晶粒尺寸，較高的楊氏模量從而促進(jìn)少量裂紋生長(zhǎng)而非大量小裂紋形核，且迎彈面材料發(fā)生的彎曲盡可能小，此外，對(duì)透明裝甲外加側(cè)邊及厚度方向上的約束，也可以有效增加碎片尺寸[35]。綜上所述，最優(yōu)的迎彈面材料應(yīng)該是具有高楊氏模量、高硬度的細(xì)晶粒多晶陶瓷材料，即AlON和鎂鋁尖晶石陶瓷材料。針對(duì)晶粒尺寸的影響，需要單獨(dú)說(shuō)明的是有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同晶粒尺寸的鎂鋁尖晶石材料，細(xì)晶粒陶瓷板的V50相對(duì)于粗晶粒樣品高出18 m/s，這是非常顯著的差異，對(duì)防彈性能有積極影響；然而對(duì)于已經(jīng)發(fā)生侵徹階段的靶材，二次侵徹時(shí)粗晶材料在停留后的侵徹速率應(yīng)該比細(xì)晶材料慢，造成細(xì)晶粒材料后續(xù)侵徹深度更大，由此可見(jiàn)，微觀結(jié)構(gòu)對(duì)防彈性能的影響仍然是值得進(jìn)一步研究的[36]。

而在迎彈面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，堅(jiān)固的側(cè)邊約束和厚度方面上夾緊的裝甲框架，不僅可以增加碎片尺寸，同時(shí)增加非彈性變形機(jī)制(如2.1節(jié)所述)，在彈丸停留階段提高防彈性能，還可以減緩裂紋擴(kuò)展。采用堅(jiān)固的中間層材料可以提供厚度方向上的空間約束。在不影響光學(xué)功能的前提下在迎彈面前附加堅(jiān)硬覆蓋物可進(jìn)一步增加空間約束，且與中間層的配合下在迎彈面的壓縮中產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，可以進(jìn)一步提高防彈性能[37]。最后，單層迎彈面層防彈性能優(yōu)于多層層合的迎彈面。

3.2 透明裝甲中間層材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在彈丸通過(guò)迎彈面后，已經(jīng)發(fā)生明顯的減速，同時(shí)彈頭已經(jīng)發(fā)生鈍化或碎裂，因此在中間層最主要的特征是伴隨著中間層材料碎裂的能量吸收。因此具有良好的斷裂韌度以及將破碎控制在較小范圍是中間層材料的關(guān)鍵要求。如前所述，堅(jiān)硬的背襯支撐也可以提高迎彈面層的防彈效率，從而使陶瓷材料的超高硬度得以充分利用，這就需要中間層材料具備高彎曲剛度，這需要高楊氏模量和增加中間層厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。從這一角度看PMMA(有機(jī)玻璃)、玻璃陶瓷和玻璃是理想的中間層材料。而從對(duì)彈丸動(dòng)能吸收的角度看，具有斷裂韌度(單位碎片表面積吸收的能力)和小尺寸碎片(即碎片總表面積)的良好組合至關(guān)重要，將損傷限制在彈擊處周圍一個(gè)狹窄的區(qū)域內(nèi)同樣非常關(guān)鍵。因此雖然PC(聚碳酸酯)材料的斷裂韌度更高，但是會(huì)產(chǎn)生大量更細(xì)碎碎片的PMMA和玻璃更加勝任中間層材料的要求[38-40]。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為了提供迎彈面堅(jiān)硬支撐，需要提高彎曲剛度，除了通過(guò)材料自身性能來(lái)實(shí)現(xiàn)外，還可以通過(guò)該層提供一個(gè)較小的向外曲率來(lái)實(shí)現(xiàn)。而采用單層中間層結(jié)構(gòu)可以更好地吸收彈丸能量，并增強(qiáng)抗多次打擊防彈能力。

3.3 透明裝甲背彈面材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

背彈面材料主要是阻礙彈丸及迎彈面和中間層碎片進(jìn)入載具中，并保證自身不脫落，極少發(fā)揮實(shí)際防彈效應(yīng)。因此該層要求材料具有一定的延展性，而從輕量化角度來(lái)看，該層傾向于使用密度較低材料。從以上角度考慮，PC和PU(聚氨酯)材料是較好選擇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PC板材的極限防侵徹速率為125～130 m/s[41]，所以為了確保透明裝甲的防彈有效，應(yīng)保證通過(guò)迎彈面層和中間層將入射彈丸降低到該速率以下。

而從結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，多層背彈面層的碎片抑制能力更好。此外，應(yīng)使用較厚的夾層將該層與中間層機(jī)械隔離。

4 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

近些年來(lái)，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展也為防彈透明裝甲設(shè)計(jì)提供了更有效的途徑。目前一種方法是基于理論模型分析，主要對(duì)材料力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，從而求解給定條件下的侵徹理論公式。Chen等從能量耗散的角度建立剩余侵徹深度的理論計(jì)算模型，該模型通過(guò)預(yù)知彈體質(zhì)量，彈體初速，彈體材料動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，彈體橫截面積，彈體材料密度，靶材動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度等數(shù)值計(jì)算彈頭剩余質(zhì)量和穿出迎彈面層后的剩余速率[42]。然而理論模型分析方法依賴基于經(jīng)驗(yàn)的“系數(shù)”或“因子”，也無(wú)法充分表現(xiàn)侵徹的物理過(guò)程。所以數(shù)值模擬計(jì)算是分析侵徹過(guò)程的主流方法，這類方法基于計(jì)算模擬軟件，可以通過(guò)圖形界面快速直觀地給出彈丸侵徹過(guò)程,相對(duì)于理論模型分析研究的內(nèi)容更加豐富[30,43-45]。Xiao等采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(SPH)模擬了純鎢彈丸沖擊氧化鋁靶材過(guò)程中的彈丸和靶材碎裂，模擬結(jié)果對(duì)靶材的反向噴射物及背面凸起的形成和運(yùn)動(dòng)、彈丸的變形與沖蝕過(guò)程進(jìn)行了較為準(zhǔn)確地再現(xiàn)，此外對(duì)彈丸剩余速率和殘余質(zhì)量的預(yù)測(cè)精度較高[46]。Sun等模擬了長(zhǎng)桿彈丸沖擊有預(yù)應(yīng)力約束的陶瓷靶的情形，模擬中設(shè)定了多種預(yù)應(yīng)力加載情況(徑向、軸向和流體靜力的以及無(wú)預(yù)應(yīng)力)，結(jié)果顯示提高約束預(yù)應(yīng)力可明顯提高陶瓷復(fù)合裝甲的抗侵徹能力[47]，這與2.1節(jié)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。王維占等對(duì)侵徹陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)靶材過(guò)程中制式穿燃彈的質(zhì)量變化、不同侵徹角度下彈道極限和破壞形態(tài)等參數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，這類研究會(huì)對(duì)具體彈型有要求的防彈透明裝甲的厚度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)作用[48]。

與此同時(shí)，也應(yīng)該意識(shí)到陶瓷基透明防彈裝甲仍有許多難題需要我們挑戰(zhàn)。最首要的問(wèn)題是當(dāng)前單塊透明陶瓷板材的尺寸基本無(wú)法滿足實(shí)際使用要求，這就需要對(duì)透明陶瓷進(jìn)行拼接。截止目前，應(yīng)用比較廣泛的方法有玻璃粘接[49-51]、活潑金屬釬焊[52-54]、瞬間液相連接[55-56]、鉬錳法[57-58]等?；顫娊饘兮F焊在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛，主要采用Ti或其他活潑金屬(例如Zr，Nb，Cr，Y等)，這些金屬與藍(lán)寶石等潤(rùn)濕性良好，在800～900 ℃數(shù)分鐘即可完成釬焊，優(yōu)點(diǎn)是連接緊密，缺點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)匹配較差在接縫處產(chǎn)生殘余應(yīng)力，工藝要求超高真空環(huán)境，所以成本較高。瞬間液相連接方法所需溫度低，因?yàn)檫B接層采用多層結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫性能；然而需要長(zhǎng)時(shí)間保持才可消除連接層缺陷，因此生產(chǎn)周期長(zhǎng)、工藝成本高，這嚴(yán)重限制了瞬間液相連接技術(shù)的應(yīng)用。鉬錳法主要包含Al2O3陶瓷金屬化和使用合適釬焊合金將金屬化的Al2O3粘接，這一工藝需要高溫、生產(chǎn)成本高，且金屬化層內(nèi)往往有氣孔、微裂紋缺陷等。玻璃粘接方法是將多種玻璃(MgO，CaO，SiO2，TiO2，Al2O3等)形成物進(jìn)行混合，作為填充材料進(jìn)行燒結(jié)，該方法所需溫度較低，反應(yīng)可以在非真空、非保護(hù)性氣氛下進(jìn)行，也是僅有的能保持接縫透明的方法，是透明陶瓷裝甲焊接的最佳選擇，例如使用BaTiAl6O12激光焊接藍(lán)寶石，粘接完成后仍可保持可見(jiàn)光波段80%的透光率[59]。陶瓷基透明防彈裝甲面臨的第二個(gè)問(wèn)題是無(wú)法做出復(fù)雜形狀裝甲，絕大多數(shù)裝甲仍是平板狀，因此限制了載具的設(shè)計(jì)。多晶陶瓷制備技術(shù)的進(jìn)步將一定程度上解決這一難題，不過(guò)仍有曲面陶瓷與玻璃及有機(jī)材料形狀匹配，邊緣設(shè)計(jì)與裝配等一系列問(wèn)題有待解決。因此，陶瓷基透明防彈裝甲依然有極大的提升潛力[60-62]。

5 結(jié)束語(yǔ)

陶瓷基透明裝甲相對(duì)于傳統(tǒng)防彈玻璃可以在減重減薄達(dá)30%～60%的前提下，實(shí)現(xiàn)更好的防彈性能?，F(xiàn)有針對(duì)陶瓷基透明裝甲的研究主要集中在三個(gè)方面：尋找性能更優(yōu)的材料用于裝甲組件；通過(guò)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算機(jī)模擬對(duì)實(shí)際彈道實(shí)驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)；更加深入地了解裝甲材料所需的主要性能、系統(tǒng)整體性能以及系統(tǒng)各組件之間的相互影響。本文依循這一邏輯思路，引述了一些具有代表性的陶瓷基透明裝甲的研究工作，得到的結(jié)論如下：

(1)藍(lán)寶石材料是目前工藝最為成熟的迎彈面陶瓷材料，然而其制造成本高昂，批次穩(wěn)定性較差。多晶陶瓷材料，例如鎂鋁尖晶石和AlON，則具備生產(chǎn)更大尺寸樣品的可能性。目前制約其發(fā)展的主要是難以獲得高質(zhì)量原料粉體的制備和燒結(jié)工藝問(wèn)題?，F(xiàn)今已可生產(chǎn)面積0.5 m2以上樣品，具備實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。從單純力學(xué)性能數(shù)據(jù)上看，藍(lán)寶石材料明顯優(yōu)于多晶陶瓷材料。然而實(shí)際的抗彈擊性能則與之相反，多晶陶瓷會(huì)在高加載率情況下產(chǎn)生更高的單位體積斷裂面密度，從而產(chǎn)生更高能量耗散，同時(shí)產(chǎn)生更多細(xì)碎碎片反向沖蝕彈丸并顯著減少?gòu)椡柽M(jìn)入靶材的動(dòng)能。多晶陶瓷還可以在彈擊情況下保持更好的結(jié)構(gòu)完整性。

(2)多晶陶瓷受到動(dòng)態(tài)沖擊，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)近似弧形的主損傷區(qū)，在主損傷區(qū)前端會(huì)有缺陷產(chǎn)生的裂紋中心，裂紋從這些裂紋中心形核，在應(yīng)力突破臨界條件后，裂紋開(kāi)始生長(zhǎng)，融入主損傷區(qū)。多晶陶瓷的斷裂模式為穿晶斷裂和沿晶斷裂的復(fù)合斷裂模式。邊緣增加約束可以增強(qiáng)塑性機(jī)制，抑制了裂紋的形成，增加最大承載應(yīng)力。藍(lán)寶石主要為特定晶面控制的解理斷裂，當(dāng)沖擊能量過(guò)高，則裂紋形貌與多晶陶瓷相似，當(dāng)裂紋延伸至材料內(nèi)部，應(yīng)力降低，裂紋開(kāi)始沿特定晶面生長(zhǎng)。玻璃材料損傷形貌也對(duì)沖擊能量/速率敏感，從層合玻璃結(jié)果看，應(yīng)力波除造成迎彈面層明顯損傷外，第二損傷區(qū)通常出現(xiàn)在中間層(第二層)的背部位置。

(3)迎彈面材料應(yīng)該選擇具有高楊氏模量、高硬度的細(xì)晶粒多晶陶瓷材料。堅(jiān)固的側(cè)邊約束和厚度方面上夾緊的裝甲框架、剛性的中間層可以進(jìn)一步增強(qiáng)迎彈面層防彈性能，中間層主要承擔(dān)能量吸收的作用。因此具有良好的斷裂韌度、高彎曲剛度以及將破碎控制在較小范圍的能力是中間層材料的關(guān)鍵要求。為了提供迎彈面堅(jiān)硬支撐，需要提高彎曲剛度，這可以通過(guò)該層提供一個(gè)較小的向外曲率來(lái)實(shí)現(xiàn)。背彈面層要求材料具有一定的延展性，該層傾向于使用密度較低材料。結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，多層背彈面層的碎片抑制能力更好，該層與中間層之間應(yīng)該用較厚的夾層進(jìn)行機(jī)械隔離。透明裝甲作為一個(gè)功能性的系統(tǒng)，需要各組件間相互協(xié)調(diào)才能發(fā)揮每種材料的最佳性能。