碳化硅技术详解-1玻璃结合 SiC 简介

日期：2024-02-01 浏览：902

1 玻璃结合 SiC 简介

自19世纪起，玻璃结合 SiC (GBSC) 的主要传统商业应用一直是在粘合 SiC 磨轮和其他磨具中。这是一种可以追溯到19世纪的应用。GBSC 的另一个传统应用是低端 SiC 耐火材料，这也是可以追溯到19世纪的应用，并且自20世纪中期硅氮化物结合 SiC (SNBSC) 发明并最终成为主流 SiC 耐火材料后，这一应用基本上已经过时。电碳公司由 Edward Acheson 于1890年代早期创立，是GBSC发展的前25年（从1890年代中期到1920年代早期）的主要推动力量。到20世纪20年代，GBSC已经或多或少发展到了我们今天在GBSC磨轮和GBSC耐火材料中看到的水平。

虽然传统的GBSC具有高孔隙率、低强度和低韧性，但21世纪的GBSC创新是一种高度演化的玻璃结合SiC陶瓷基复合材料（GBSC-CMC），如图8.1所示。它具有零孔隙率、高韧性和强度以及极高的抗冲击性，结合了 SiC 作为一种重量高效的弹道装甲材料和高性能耐磨陶瓷的众所周知的特性。此外，当受到弹丸或爆炸冲击时，GBSC-CMC 在冲击区外保持完好并保持其结构承载能力。因此，它可以作为结构承载材料，例如车辆车体。传统的陶瓷装甲是寄生性的，也就是说，它被覆在结构性金属车辆车体的外部表面上。

令人惊讶的是，一种在1895-1925年（传统GBSC）期间非常低技术含量的材料，在2010年代发展成21世纪最先进的 SiC 基材料之一（GBSC-CMC）。

关于装甲应用，为了充分理解最近陶瓷装甲革命的平等主义和人道主义意义，即陶瓷防弹衣的大规模全球部署，重要的是将其放在20世纪后期的陶瓷复合装甲发展背景下看待。20世纪90年代，美国军方启动了ISAPO/SAPI计划，引发了全球对军人保护态度的巨大转变。人类历史上第一次，普通士兵被送上战场，配备了当时最先进的防护装甲，可以抵御当时的弹药。

5000 年来，从青铜器时代到 18 世纪金属盔甲退出历史舞台，只有精英士兵才能穿着先进的防弹衣上战场。从 18 世纪到 20 世纪末，当时的防弹衣技术远不如当时的弹药。数百万军人几乎没有任何防护，死伤无数。21 世纪初，全球工业健康和安全政策发生了革命性的变化，安全设备的实施和强制执行力度大大增加。最近陶瓷防弹衣的广泛应用是这一全球趋势的一部分。

对于防弹衣，陶瓷装甲的巨大优势在于，与传统钢装甲相比，它在相同的抗冲击能力下重量仅为其几分之一：轻 2 到 6 倍，通常轻 3 到 4 倍。对于步兵士兵来说，重量绝对是至关重要的。例如，一个可以阻挡 7.62 突击步枪子弹的陶瓷胸甲重量约为 2 公斤，但如果用钢制成，则至少重 6 公斤。通常，士兵需要前后各穿一块胸甲，如果使用钢制胸甲，重量至少为 12 公斤，这是无法承受的。4 公斤的前后陶瓷胸甲是一个可承受的重量负担，可以挽救生命。第二个关键优势是，陶瓷复合装甲吸收了子弹的大部分能量，对身体造成的钝器创伤最小，而钢装甲会将大部分冲击力传递给身体，导致肋骨骨折和内脏损伤的概率大大增加。

虽然现在先进的防弹衣完全基于陶瓷-FRP，但金属装甲仍然是传统装甲车和军舰的标准装甲。陶瓷装甲减轻车重的优势很明显，因此陶瓷装甲在直升机和装甲车上很常见，但并非所有车辆装甲都使用陶瓷。有时使用简单的低成本钢或铝装甲，有时是金属车体加上陶瓷复合装甲。因此，虽然陶瓷防弹衣对步兵必不可少，但陶瓷车体装甲的使用取决于具体情况。

然而，对于诸如坦克之类的重型装甲车辆，在某些极端情况下，只有陶瓷装甲才能完成这项工作，而金属装甲根本无法胜任。最著名的两个例子是长杆穿甲弹 (LRP) 和聚能装药。人们普遍认为，1991 年海湾战争中，联合国部队没有一辆陶瓷装甲坦克被敌方火力摧毁。面对伊拉克的弹药，这些坦克是“无敌”的。虽然从未正式承认，但人们普遍认为陶瓷坦克装甲在这场战争中发挥了重要作用。不幸的是，这种情况可能引发了弹药和装甲之间进一步的军备竞赛。正是在这样的背景下，GBSC-CMC被发明出来，开始于1990年代，尽管直到2010年代，这项技术才发展到第三和第四代高性能等级。

本章主要概述了GBSC的两种表现形式：

• 传统的GBSC，从1890年代到1920年代开发，主要用途在于结合磨料，以及在耐火材料中的历史性的、几乎过时的用途。
• GBSC-CMC，最近开发的先进陶瓷基复合材料，从1990年代到2010年代开发，有可能在装甲和磨损中应用。

GBSC和GBSC-CMC与其他六种主要类型的SiC的相对优势和劣势汇编在表1中。总的来说，GBSC是最简单、最便宜和性能最低的SiC类型。相比之下，GBSC-CMC是最先进的，尽管肯定不是最贵的。GBSC-CMC是GBSC的高科技版本，应用于装甲和磨损。作为一种先进的装甲材料，它的潜力相当非凡和独特。

表1 八种主要碳化硅类型的主要市场和相对性能排名（按性能标准），以制造方法划分