1. 引言
防弹插板是防弹衣的重要构件，为了防护高等级威胁的步枪弹，防弹插板主要结构由防弹陶瓷+高性能纤维复合材料组成。防弹陶瓷作为迎弹面，目前市场上使用的防弹陶瓷主要是氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)三种陶瓷。防弹陶瓷通过自身损伤断裂来耗散能量，在弹击过程中破碎弹体与磨蚀弹头，耗散弹头动能并降低弹头的侵彻能力，在防护结构中陶瓷对子弹动能的耗散占比约80%。背板主要采用超高分子量聚乙烯复合材料作为背板，承受破碎陶瓷、破碎弹头的冲击并吸收剩余动能，降低弹击后防弹插板瞬间凹陷值(BFS)。
防弹插板轻量化、高防护性是提高士兵战场机动性、安全性的保障，防弹陶瓷在防弹插板具有重量占比大、吸能占比高的特点，选用低密度、高性能的防弹陶瓷是现代防弹插板的发展趋势。碳化硼(B4C)陶瓷因其硬度高、密度低、耐磨性高的优点，在防弹插板、车辆装甲、直升机防护领域具有广泛的应用前景。但是纯B4C陶瓷致密度低、韧性差，不能满足复杂工况，尤其是实战环境下对防护装甲的抗多发弹打击需求[1]。提升碳化硼陶瓷抗弹性能途径之一是对陶瓷增韧，如在碳化硼中添加SiC、TiB2、TiC、碳纳米管等第二相[2]-[10]，通过第二相对裂纹产生钉扎、裂纹分叉和裂纹偏转的作用，吸收裂纹扩展能进而提高陶瓷韧性。
本文采用无压烧结工艺制备的SiC增韧碳化硼陶瓷，制作陶瓷防弹插板，通过增加防弹陶瓷中的具有韧性的SiC相及SiC/B4C相界面数量，增强陶瓷对裂纹偏转的能力[11]。在高温环境下对防弹插板进行多发实弹连续打击靶试试验，通过分析胶泥凹陷、弹着点周围微观和宏观裂纹特征，探讨陶瓷微观组织结构对防弹插板抗多发打击的影响规律。
2. 实验方法
2.1. 材料
将碳化硅增韧的无压烧结制备的碳化硼陶瓷与一定厚度的超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)层压板进行热压复合并表面喷漆，防弹插板尺寸为325 mm × 260 mm × 17 mm，其中陶瓷板厚度5.3 mm，UHMWPE板厚度10 mm，靶板样品面密度为24.9 kg/m2。
2.2. 实弹靶试试验
采用95式5.8 mm钢芯弹评估防弹插板样品抗弹性能，打靶距离15 m，弹击着靶速度为920 ± 10 m/s，每个靶板测试8发。测试前，靶板置于烘箱内55℃保温3 h，取出后固定在胶泥上，整个测试过程中靶板保持55 ± 2℃。
2.3. 组织观察及裂纹分析
采用扫描电子显微镜二次电子(SEM)、背散射电子(BSE)成像和能谱面扫描对弹坑附近的陶瓷碎片进行微观组织与成分分析，并利用X射线探伤机对打击后的陶瓷板进行无损探伤分析。
3. 结果与讨论
图1(a)~(c)分别为面密度24.9 kg/m2的三块样品，在55℃高温条件下经8发5.8 mm钢芯弹射击后的状态，弹击顺序如图1(a)上标示数字，插板正面弹击孔较小，无明显破坏。表1为防弹插板多发打击的试验结果，三块样品经8次射击后均未穿透，前四发胶泥凹陷深度分布较为均匀，后四发凹陷增大。后续射击第5发弹坑位于前四发位置的交叉中心，弹击后陶瓷裂纹尽管发生扩展，但是第5发依然可以起到防护作用。6、7、8三发弹击位置距边缘距离 ≤ 40 mm，从图1(c)~(d)可以看出，由于弹击位置距边缘位置近，插板顶部和底部位置层压板出现明显分层现象，插板依然未被穿透。综合上述分析可以看出，碳化硼陶瓷防弹插板具有良好的抗多发弹打击性能，有利于减少小口径子弹对士兵的损伤。
Figure 1. Photos of shot samples: (a), (b), (c) corresponding to the front of No.1, 2, 3 samples respectively; (d) corresponding to the top of No.1 sample; (e) corresponding to the bottom of No.1 sample
图1. 弹击后样品的照片：(a)、(b)、(c)对应1、2、3号样品的正面照片；(d)弹击后样品1顶部；(e)弹击后样品1底部照片
Table 1. Ballistic results of B4C ceramic bulletproof
表1. 碳化硼陶瓷防弹插板抗弹性能试验结果
编号 |
射距/m |
入射角 |
胶泥凹陷深度/mm |
1 |
15 |
0˚ |
22.8 |
18.5 |
17.8 |
17.4 |
29.9 |
27.6 |
28.1 |
20 |
2 |
15 |
0˚ |
22.3 |
21.8 |
22.5 |
23.4 |
22.3 |
27.9 |
24.2 |
22.7 |
3 |
15 |
0˚ |
21.6 |
21 |
19.2 |
22.1 |
28 |
34 |
26.4 |
24.5 |
为进一步分析防弹插板弹击后陶瓷内部结构状态，采用SEM和X射线探伤分析弹孔处的陶瓷碎片。弹击后破碎的陶瓷微观组织结构上产生了裂纹扩展，图2(a)上可以看到箭头标示处裂纹发生了偏转。对弹击后的陶瓷板进行X射线探伤拍照，如图2(b)所示，可以看出陶瓷板上弹孔处形成了多条放射状和环状裂纹，同时在箭头标示位置裂纹发生了明显的宏观偏转，这不仅延长了裂纹的扩展路径，还使得裂纹之间的陶瓷完整度增大，提高了弹击点附近位置陶瓷的抗弹能力。
Figure 2. (a) SEM photo of B4C ceramic fragment in shot point;(b) X-ray flaw detection photo of ceramic in shot position
图2. (a)弹着点碳化硼陶瓷碎片的扫描电镜照片；(b)弹着点位置陶瓷的X射线探伤照片
本试验所用的碳化硼陶瓷由SiC、B4C两相构成，如图3所示，从能谱面扫描照片上看，组织分为两个区域，一个区域是细小的SiC分布在B4C上，另一个区域是大块的SiC聚集区，前一个区域被SiC所包裹，形成了空间网络结构。B4C比SiC硬度高，但是韧性相对SiC低，因此这种网络结构存在大量的韧/脆结合的相界面结构。
Figure 3. Microstructure of B4C ceramic fracture: (a) SEM photo; (b) EDS mapping photo
图3. 碳化硼陶瓷断口的显微组织：(a) SEM照片；(b)能谱面扫描照片
进一步对碳化硼陶瓷弹击后的微观裂纹扩展特征进行分析，如图4所示，采用背散射电子成像可以区分出B4C、SiC两相，白色部分为SiC相，黑色为B4C相。从图中可以看出，裂纹表现为穿晶断裂为主的扩展趋势，反映出B4C-SiC的相界面结合强度高[12]。裂纹发生偏转的位置为碳化硅聚集区内和B4C-SiC的相界面附近，图中标示1、2、4、5位置裂纹在B4C-SiC相界面位置附近偏转，位置3处为碳化硅聚集区内偏转。从图3(b)能谱照片可知，碳化硼区域实际是弥散的碳化硅细小颗粒分布在碳化硼相中，这些区域存在残余压应力，裂纹容易发生偏转[13] [14]；而碳化硅聚集区内尽管也有少量的碳化硼，但是碳化硅在这些区域生长为粗晶粒，残余应力少[13]，因此表现为在碳化硅相内穿晶断裂，少量区域内观察到裂纹在聚集区内偏转。裂纹偏转提高了陶瓷的韧性，有利于对子弹冲击动能的耗散。
Figure 4. BSE photo of ceramic fragment in shot point
图4. 弹着点陶瓷碎片的背散射照片
4. 结论
1) 本文采用无压烧结碳化硼陶瓷制造防弹插板，对碳化硼陶瓷插板进行了打靶试验，结果表明插板在高温条件下可以防住8发95式5.8 mm钢芯弹的连续打击，抗多发弹打击性能优良。
2) 通过对弹击后的陶瓷微观组织和X射线探伤分析，发现陶瓷在弹击时存在微观和宏观裂纹偏转现象，裂纹扩展以穿晶断裂为主，微观裂纹在B4C-SiC相界面位置附近和碳化硅聚集区内发生偏转。
基金项目
丽水市重点研发计划项目(2022ZDYF05)。