劉家希，石曉東，姜良寶，李曉宇，王敏博，顏 悅

(1 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2 北京市先進運載系統(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，對載具防護的要求也在日益增強。針對軍用直升機和地面載具駕駛艙的保護材料，要在兼具透明性的前提下，大幅度提升應對機(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計要求。在過去數(shù)十年，防彈玻璃因為成本低、易于批量生產(chǎn)、透光度高等特點，一直是透明防彈裝甲的主要材料。據(jù)報道，2015年度的全球防彈玻璃產(chǎn)值為23.96億美元，預計到2021年，該數(shù)字將達到約40億美元[1]。然而，伴隨著載具輕量化、集約化的要求，對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。這會造成一系列負面影響：增加載具自重、降低機動性、壓縮艙內(nèi)空間、損失光學性能。美軍曾為高機動性多用途輪式車輛(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于實現(xiàn)載具輕量化至關重要。因此，開展高抗彈性輕質(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計工作，更多仍是基于經(jīng)驗方法。對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理仍缺少深入的認識。因此本文對陶瓷基透明裝甲相關研究進行綜述，重點介紹目前作為迎彈面的三種透明陶瓷的優(yōu)缺點及研究進展，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計準則。

1 迎彈面陶瓷材料研究進展

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

1.1 藍寶石

藍寶石材料是目前應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大/過細等問題[6]，相較之下，藍寶石因其所需單晶制備技術(shù)可避免原料因素影響。此外，藍寶石的靜態(tài)硬度、抗彎強度和楊氏模量均高于多晶鎂鋁尖晶石和AlON，具有高化學抗性，廣泛的可用性等特點。

但是，由于藍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)制得的藍寶石為了滿足光學需求均需要大量的后處理，由此導致原料利用率低的問題；導模法(EFG)可以實現(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，由于單晶生長內(nèi)應力大，易發(fā)生不規(guī)則脆性開裂和解理裂紋，影響后期層合及裝配。盡管存在著以上提到的這些問題，但是目前藍寶石陶瓷依然是透明裝甲的主流材料。不過隨著技術(shù)的深入，通過晶粒納米化、晶粒定向生長、固態(tài)晶粒生長法等手段，多晶Al2O3的光學性能也在不斷提高[7]。在不久的將來有希望獲得具有與單晶藍寶石相當光學與力學性能的多晶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。多晶鎂鋁尖晶石因為其光學性能、高速沖擊抗力和生產(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，這對于搭載有紅外探測設備的載具，具有更好的適用性；同時具有與另外兩種陶瓷材料相似的抗高速沖擊性能，但楊氏模量和硬度略低[9]。目前，多晶鎂鋁尖晶石難以通過常規(guī)燒結(jié)手段達到透明所需的理論致密度，這是因為它對粉末尺寸、團聚體、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機械合金化、固相燒結(jié)、溶膠-凝膠、水熱法、共沉淀和化學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計量比、雜質(zhì)、粒徑和團聚體的缺陷無法通過調(diào)整工藝參數(shù)來改善。雜質(zhì)不僅影響鎂鋁尖晶石的光學性能，同時會改變界面能和晶界遷移速率，進而影響微觀結(jié)構(gòu)、硬度以及高速沖擊抗力[10]。適量LiF燒結(jié)助劑可減少透明鎂鋁尖晶石中的雜質(zhì)，但是會造成材料脆化，斷裂形式從穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔?，降低材料的高速沖擊抗力[11]。

多晶鎂鋁尖晶石的燒結(jié)是一個亟須解決的問題，這是因為： Mg或MgO的揮發(fā)導致產(chǎn)生化學計量比變化(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無壓燒結(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)相比于無壓燒結(jié)，提高了燒結(jié)驅(qū)動力，降低了裂紋、翹曲等風險[14]。無壓或熱壓后的熱等靜壓處理是必須的，這一過程可以進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。SPS方法可以顯著降低燒結(jié)所需溫度，并提高產(chǎn)品力學和光學性能[15-16]。然而，目前采用SPS工藝同樣無法實現(xiàn)大尺寸板材的制備，尺寸增加后，SPS存在的溫度梯度會導致樣品加熱不均，導致透光率損失等問題。

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燒結(jié)。AlON的燒結(jié)方法也主要是反應燒結(jié)、無壓燒結(jié)、熱壓和熱等靜壓等傳統(tǒng)燒結(jié)工藝。因為工藝簡便、原料易得、產(chǎn)品污染小等優(yōu)勢，目前最廣泛的制備手段是氧化鋁和氮化鋁之間的反應。20世紀70年代美國陸軍實驗室和Raytheon公司開展了透明AlON的研究，使得Raytheon在20世紀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，并通過無壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)實現(xiàn)了批量化大尺寸AlON陶瓷的生產(chǎn)及工程化應用，目前已實現(xiàn)約0.74 m2的、高光學質(zhì)量AlON透明陶瓷，如圖2所示，并可以通過無縫拼接技術(shù)實現(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]

雖然在過去幾十年，制備手段獲得長足進步，但是在大規(guī)模制備過程中尚存在一些困難，首先是干燥過程會出現(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)也會因溫度不均勻產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的不均勻，進而導致應力雙折射現(xiàn)象。

1.4 迎彈面層材料性能比較

三種陶瓷材料的力學性能如表1所示[17-20]。藍寶石的靜態(tài)力學性能除抗壓強度外，均優(yōu)于另外兩種陶瓷材料。甚至是一些動態(tài)特性，例如Hugoniot彈性極限(HEL)等，藍寶石同樣優(yōu)于其他材料[21]。然而許多研究發(fā)現(xiàn)，在實際的防彈測試中，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%完全穿透的概率時的速率)與透明裝甲面密度之間的關系，結(jié)果顯示AlON和鎂鋁尖晶石的V50相對于藍寶石分別提高了約5%和10%[22]。Patterson等通過對每種材料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)于藍寶石和玻璃[23]。許多研究從這些材料的動態(tài)響應、沖擊響應和斷裂行為三個角度，為這種防彈性能與力學參數(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)力學性能Table 1 Static mechanical properties of three kinds of ceramic materials of strike face

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

采用沖擊實驗驗證這兩種相異的裂紋擴展模式對防彈性能的影響[24],實驗使用直徑4.76 mm鋼球以280 m/s的速率撞擊尖晶石和藍寶石棒狀樣品。尖晶石產(chǎn)生混合型裂紋，可以將裂紋區(qū)分為兩個不同區(qū)域，接近撞擊點區(qū)域，發(fā)生高度碎裂，在這一區(qū)域彈丸能量通過穿晶、沿晶斷裂，碎裂物質(zhì)的膨脹，粉碎物質(zhì)噴射動能的方式耗散。而在遠離撞擊點的區(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。相比之下藍寶石的斷裂則主要是沿特定晶體學平面的定向長裂紋形式出現(xiàn)，并形成了等間隔的c軸取向的嚴重碎裂帶。這就造成藍寶石出現(xiàn)毫米尺寸的大塊碎片，結(jié)構(gòu)完整性遭到嚴重破壞。同時沖擊點附近噴射物質(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，同時沖蝕鋼球，鋼球表面具有明顯塑性變形、斷裂、沖蝕痕跡。而藍寶石沒有形成這種細碎噴射物，大碎片被彈丸推開，因此表面只發(fā)生塑性變形和斷裂，缺少沖蝕痕跡。

通過對能量耗散形式的分析，將尖晶石相較于藍寶石更優(yōu)的防彈性能歸因于以下3點：(1)尖晶石的多晶性質(zhì)導致更高的單位體積斷裂面密度，而藍寶石沿晶體學平面形成長裂紋斷裂密度較低。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而耗散的能量要高出藍寶石一個數(shù)量級。細化的碎片可以有效減速和沖蝕入射的子彈，從而顯著減少彈丸侵徹靶板的動能。另一方面，藍寶石沿特定晶面的斷裂，大碎片被從彈丸路徑中推開，無法阻止子彈進入靶板更深的地方；(3)藍寶石結(jié)構(gòu)完整性損失更大。雖然碎片運動是一種有效的能量耗散手段，但是藍寶石的大塊碎片無法阻礙進一步的侵徹，因此也會造成嚴重的危害。

2 透明裝甲破壞行為分析

依據(jù)1.4節(jié)中的討論，彈擊動態(tài)加載情況下，材料力學參數(shù)和實際防彈性能存在不一致的現(xiàn)象；此外也通過沖擊實驗理解了藍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)通過其他研究者對透明裝甲破壞行為的研究，進一步理解不同材料、不同結(jié)構(gòu)裝甲在高應變速率下的裂紋形核、拓展，缺陷影響，和材料失效情況等。

高應變速率的動態(tài)測試(102～104s-1)相比于準靜態(tài)情況(10-3～10-2s-1)下材料失效行為會有較大差異。準靜態(tài)情況下，材料一般是從最主要缺陷失效，而且應變特征較為單一。而在動態(tài)加載情況下，會同時出現(xiàn)拉、壓、彎等多種應力形式，應力體積也是準靜態(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)不均勻性和其他應力集中區(qū)域而發(fā)生失效。沖擊發(fā)生后，一般會在材料體內(nèi)出現(xiàn)三類應力波：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，一般導致材料失效的關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、傳播并聚集成損傷前沿[26]。

McCauley等針對AlON、藍寶石和層合玻璃板進行了邊緣沖擊實驗，通過透射光的陰影圖和反射偏振光記錄裂紋擴展和應力波傳播[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的典型裂紋擴展模式，即有一個半圓形的主裂紋區(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，但是不代表沒有任何的體缺陷，一些應力集中區(qū)域，都會成為裂紋形成和拓展的應力集中源。

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

針對上述實驗研究結(jié)果，Zhang等采用計算機模擬還原相似參數(shù)下鋼柱彈丸沖擊AlON多晶陶瓷板的應變能密度和損傷演變[30]。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)損傷發(fā)展有兩個階段：第一階段是快速移動的損傷前沿導致的大規(guī)模碎裂，而進入第二階段則過渡為從損傷前沿萌生的移動相對緩慢的局部裂紋擴展。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。這一差異會在厚度更大、晶粒更多的樣品中愈發(fā)明顯。

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

2.2 藍寶石陶瓷破壞行為分析

在1.4小節(jié)中討論了藍寶石陶瓷在動態(tài)過程中解理的重要性。在本節(jié)中通過更可控的邊緣沖擊實驗來進一步理解藍寶石的斷裂機理。

圖3(a)是39.1 g的鋼球彈丸撞擊藍寶石方向1(沖擊平行于a軸，正對鏡頭平面為(0001)面，如圖4(b)所示)后不同時刻的高速攝像照片[27]。通過裂紋演化照片可以看到第一個裂紋，在撞擊后立即出現(xiàn)，可能沿著棱柱狀解理面(m面)，在試樣中切出一個大約120°角的圓錐體(裂紋A,B)。2.7 μs后，可見第三條主斷裂，沿沖擊方向(裂紋C)直線擴展。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。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柱狀彈丸對樣品進行沖擊后不同時刻的高速攝像照片，撞擊后1.2 μs的照片顯示，裂紋的形成是從彈丸邊緣開始的，在此處剪切應力占主導地位。3 μs后，在彈丸前方形成了一個密集的斷裂帶，形成了近半圓形。因為鋼柱彈丸的沖擊能量更高，就造成了與鋼球模型沖擊(裂紋沿晶體學方向/解理面拓展)的明顯不同，有效解理面無法控制損傷前沿形貌，更加接近多晶AlON的斷口形貌。

圖3 藍寶石邊緣沖擊實驗照片[27](a) 39.1 g的鋼球彈丸撞擊藍寶石方向1(沖擊平行于a軸，正對鏡頭平面為(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驗照片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整體玻璃沖擊后不同時刻的正面高速照片。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渡的中間速率(500～550 m/s)損傷特征，同時存在粉碎和離散斷裂，離散斷裂(裂紋中心)領先于主損傷前沿，從而引發(fā)進一步損傷，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驗結(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，通過大量碎裂失效，并發(fā)展為單一損傷前沿[33]。針對玻璃材料的邊緣沖擊實驗顯示，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]

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

3 陶瓷基透明裝甲材料與結(jié)構(gòu)設計

正如藍寶石優(yōu)秀的力學性能無法代表最好的防彈性能，透明裝甲作為一個功能性的系統(tǒng)，并不是每種組成材料的性能的簡單堆砌，還與系統(tǒng)中各組件之間也會發(fā)生相互作用類型以及相互間影響程度有關。一個直觀的例子可以證明此觀點，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關系；然而當采用較軟背底支撐(鋁)時，裝甲的防彈性能與硬度之間的關聯(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)設計

通常將彈丸及迎彈面材料的相互作用分為兩個不同的階段——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看，這一階段的最主要目的是延長彈丸停留時間，從而確保彈丸尖端最大程度地鈍化、碎裂。為了實現(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(可以通過細化晶粒實現(xiàn))。而侵徹階段，則是彈丸進入迎彈面材料中，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椡璧臎_蝕。因此這一階段，獲得相對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)中無噴射效果的藍寶石宏觀碎片)。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少量裂紋生長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)的迎彈面材料應該是具有高楊氏模量、高硬度的細晶粒多晶陶瓷材料，即AlON和鎂鋁尖晶石陶瓷材料。針對晶粒尺寸的影響，需要單獨說明的是有實驗結(jié)果表明不同晶粒尺寸的鎂鋁尖晶石材料，細晶粒陶瓷板的V50相對于粗晶粒樣品高出18 m/s，這是非常顯著的差異，對防彈性能有積極影響；然而對于已經(jīng)發(fā)生侵徹階段的靶材，二次侵徹時粗晶材料在停留后的侵徹速率應該比細晶材料慢，造成細晶粒材料后續(xù)侵徹深度更大，由此可見，微觀結(jié)構(gòu)對防彈性能的影響仍然是值得進一步研究的[36]。

而在迎彈面層結(jié)構(gòu)設計方面，堅固的側(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，同時增加非彈性變形機制(如2.1節(jié)所述)，在彈丸停留階段提高防彈性能，還可以減緩裂紋擴展。采用堅固的中間層材料可以提供厚度方向上的空間約束。在不影響光學功能的前提下在迎彈面前附加堅硬覆蓋物可進一步增加空間約束，且與中間層的配合下在迎彈面的壓縮中產(chǎn)生預應力，可以進一步提高防彈性能[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)設計

在彈丸通過迎彈面后，已經(jīng)發(fā)生明顯的減速，同時彈頭已經(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鍵要求。如前所述，堅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實現(xiàn)。從這一角度看PMMA(有機玻璃)、玻璃陶瓷和玻璃是理想的中間層材料。而從對彈丸動能吸收的角度看，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)的良好組合至關重要，將損傷限制在彈擊處周圍一個狹窄的區(qū)域內(nèi)同樣非常關鍵。因此雖然PC(聚碳酸酯)材料的斷裂韌度更高，但是會產(chǎn)生大量更細碎碎片的PMMA和玻璃更加勝任中間層材料的要求[38-40]。

結(jié)構(gòu)設計方面，為了提供迎彈面堅硬支撐，需要提高彎曲剛度，除了通過材料自身性能來實現(xiàn)外，還可以通過該層提供一個較小的向外曲率來實現(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)設計

背彈面材料主要是阻礙彈丸及迎彈面和中間層碎片進入載具中，并保證自身不脫落，極少發(fā)揮實際防彈效應。因此該層要求材料具有一定的延展性，而從輕量化角度來看，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。實驗結(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，應保證通過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)角度來看，多層背彈面層的碎片抑制能力更好。此外，應使用較厚的夾層將該層與中間層機械隔離。

4 機遇與挑戰(zhàn)

近些年來，計算機模擬技術(shù)的發(fā)展也為防彈透明裝甲設計提供了更有效的途徑。目前一種方法是基于理論模型分析，主要對材料力學模型進行簡化分析，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算模型，該模型通過預知彈體質(zhì)量，彈體初速，彈體材料動態(tài)屈服強度，彈體橫截面積，彈體材料密度，靶材動態(tài)屈服強度等數(shù)值計算彈頭剩余質(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)驗的“系數(shù)”或“因子”，也無法充分表現(xiàn)侵徹的物理過程。所以數(shù)值模擬計算是分析侵徹過程的主流方法，這類方法基于計算模擬軟件，可以通過圖形界面快速直觀地給出彈丸侵徹過程,相對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力學方法(SPH)模擬了純鎢彈丸沖擊氧化鋁靶材過程中的彈丸和靶材碎裂，模擬結(jié)果對靶材的反向噴射物及背面凸起的形成和運動、彈丸的變形與沖蝕過程進行了較為準確地再現(xiàn)，此外對彈丸剩余速率和殘余質(zhì)量的預測精度較高[46]。Sun等模擬了長桿彈丸沖擊有預應力約束的陶瓷靶的情形，模擬中設定了多種預應力加載情況(徑向、軸向和流體靜力的以及無預應力)，結(jié)果顯示提高約束預應力可明顯提高陶瓷復合裝甲的抗侵徹能力[47]，這與2.1節(jié)中的實驗結(jié)果相一致。王維占等對侵徹陶瓷復合結(jié)構(gòu)靶材過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)進行了模擬計算，結(jié)果與實際實驗結(jié)果相一致，這類研究會對具體彈型有要求的防彈透明裝甲的厚度和結(jié)構(gòu)設計有重要的指導作用[48]。

與此同時，也應該意識到陶瓷基透明防彈裝甲仍有許多難題需要我們挑戰(zhàn)。最首要的問題是當前單塊透明陶瓷板材的尺寸基本無法滿足實際使用要求，這就需要對透明陶瓷進行拼接。截止目前，應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)，這些金屬與藍寶石等潤濕性良好，在800～900 ℃數(shù)分鐘即可完成釬焊，優(yōu)點是連接緊密，缺點是熱膨脹系數(shù)匹配較差在接縫處產(chǎn)生殘余應力，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，因為連接層采用多層結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫性能；然而需要長時間保持才可消除連接層缺陷，因此生產(chǎn)周期長、工藝成本高，這嚴重限制了瞬間液相連接技術(shù)的應用。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)形成物進行混合，作為填充材料進行燒結(jié)，該方法所需溫度較低，反應可以在非真空、非保護性氣氛下進行，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激光焊接藍寶石，粘接完成后仍可保持可見光波段80%的透光率[59]。陶瓷基透明防彈裝甲面臨的第二個問題是無法做出復雜形狀裝甲，絕大多數(shù)裝甲仍是平板狀，因此限制了載具的設計。多晶陶瓷制備技術(shù)的進步將一定程度上解決這一難題，不過仍有曲面陶瓷與玻璃及有機材料形狀匹配，邊緣設計與裝配等一系列問題有待解決。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

陶瓷基透明裝甲相對于傳統(tǒng)防彈玻璃可以在減重減薄達30%～60%的前提下，實現(xiàn)更好的防彈性能?，F(xiàn)有針對陶瓷基透明裝甲的研究主要集中在三個方面：尋找性能更優(yōu)的材料用于裝甲組件；通過實驗或計算機模擬對實際彈道實驗進行指導；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)工藝問題。現(xiàn)今已可生產(chǎn)面積0.5 m2以上樣品，具備實際應用的價值。從單純力學性能數(shù)據(jù)上看，藍寶石材料明顯優(yōu)于多晶陶瓷材料。然而實際的抗彈擊性能則與之相反，多晶陶瓷會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，同時產(chǎn)生更多細碎碎片反向沖蝕彈丸并顯著減少彈丸進入靶材的動能。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)多晶陶瓷受到動態(tài)沖擊，會產(chǎn)生一個近似弧形的主損傷區(qū)，在主損傷區(qū)前端會有缺陷產(chǎn)生的裂紋中心，裂紋從這些裂紋中心形核，在應力突破臨界條件后，裂紋開始生長，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合斷裂模式。邊緣增加約束可以增強塑性機制，抑制了裂紋的形成，增加最大承載應力。藍寶石主要為特定晶面控制的解理斷裂，當沖擊能量過高，則裂紋形貌與多晶陶瓷相似，當裂紋延伸至材料內(nèi)部，應力降低，裂紋開始沿特定晶面生長。玻璃材料損傷形貌也對沖擊能量/速率敏感，從層合玻璃結(jié)果看，應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)迎彈面材料應該選擇具有高楊氏模量、高硬度的細晶粒多晶陶瓷材料。堅固的側(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一步增強迎彈面層防彈性能，中間層主要承擔能量吸收的作用。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鍵要求。為了提供迎彈面堅硬支撐，需要提高彎曲剛度，這可以通過該層提供一個較小的向外曲率來實現(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該用較厚的夾層進行機械隔離。透明裝甲作為一個功能性的系統(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。