精細(xì)陶瓷在坦克裝甲車輛中的應(yīng)用與發(fā)展

坦克裝甲車輛作為陸軍的主要裝備，一直是武器裝備發(fā)展的重點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)和武器裝備的發(fā)展，戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)坦克裝甲車輛的機(jī)動(dòng)、防護(hù)和火力等性能提出了越來(lái)越苛刻的要求，傳統(tǒng)金屬材料已難以滿足其各方面性能的要求。精細(xì)陶瓷作為21 世紀(jì)的三大工程材料之一，自20 世紀(jì)60 年代出現(xiàn)以來(lái)就以其優(yōu)異的性能受到軍方的高度關(guān)注，并不斷應(yīng)用于坦克裝甲車輛等裝備，取得了顯著的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

    1 精細(xì)陶瓷的基本性能

    精細(xì)陶瓷是利用高純度的天然無(wú)機(jī)物及人工合成的無(wú)機(jī)化合物，采用多種先進(jìn)制造工藝生產(chǎn)出的一種新型高技術(shù)陶瓷，是繼鋼鐵、塑料之后的世界上第3 種工程材料，具有許多金屬材料及高分子材料無(wú)法比擬的優(yōu)良特性。

    一是高溫強(qiáng)度突出。常見(jiàn)的氮化硅陶瓷在1 400 ℃、碳化硅陶瓷在1 700 ℃ 時(shí)，強(qiáng)度仍高達(dá)700 MPa，而此時(shí)大多數(shù)金屬材料早已軟化或熔化成液體。在室溫下，氮化硅和碳化硅的抗拉強(qiáng)度僅為鋼的1 /3 ～ 1 /2; 但當(dāng)溫度在1 000 ℃以上時(shí)，氮化硅和碳化硅便具有比金屬材料更高的強(qiáng)度。新研發(fā)的氮碳化硅復(fù)合陶瓷（ 由氮化硅和碳化硅陶瓷復(fù)合而成） 在1 600 ℃時(shí)，不但可以拉長(zhǎng)，還可以擠壓，并具有韌性。此外，精細(xì)陶瓷還具有導(dǎo)熱率低的特點(diǎn)。與鋼鐵相比，氮化硅是其導(dǎo)熱率的1 /4～1 /3，氧化鋯是其導(dǎo)熱率的1 /15 左右。因此，精細(xì)陶瓷的高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱特點(diǎn)常被用來(lái)制造隔熱零部件。

    二是耐磨性能優(yōu)越。相關(guān)試驗(yàn)表明： 在有潤(rùn)滑條件下，由金屬與陶瓷組成的摩擦副不但陶瓷接近零磨損，金屬的磨損量也比與金屬相互配對(duì)時(shí)要小得多。特別是氮化硅與鋼配對(duì)的摩擦副，即使是在惡劣的潤(rùn)滑條件下也具有極大的抗咬合耐磨損能力。

    三是密度低、質(zhì)量小。多數(shù)陶瓷的密度是金屬密度的50%，如氮化硅和碳化硅的密度比鑄鐵小55%，與鋁相比也僅大10%。因此用陶瓷制成的零部件不但自身質(zhì)量小，對(duì)于一些運(yùn)動(dòng)件還可以減少驅(qū)動(dòng)該部件所需的能量，有利于加快響應(yīng)速度，并減小振動(dòng)。低密度和高強(qiáng)度的綜合特性，使得陶瓷成為制造高速運(yùn)動(dòng)零件的******材料之一。

    四是耐腐蝕性能極佳。陶瓷惰性大，除氫氟酸及高濃度的堿以外，幾乎對(duì)所有的化學(xué)品都具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。既可以用于制作整體零部件，也可以以涂層或襯里的表面處理形式使其他材料免于被侵蝕。

    2 精細(xì)陶瓷在坦克裝甲車輛上的應(yīng)用

    2. 1 在動(dòng)力裝置上的應(yīng)用

    發(fā)動(dòng)機(jī)是坦克裝甲車輛的心臟和原始動(dòng)力的源泉，其性能直接決定了坦克裝甲車輛的機(jī)動(dòng)性能。在一定儲(chǔ)油量條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率越高，行駛里程越長(zhǎng)，坦克裝甲車輛的戰(zhàn)役機(jī)動(dòng)性就越好。提高坦克裝甲車輛的機(jī)動(dòng)性能關(guān)鍵因素之一在于提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，并降低全車質(zhì)量。理論研究表明： 在相同條件下，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度，其功率可相應(yīng)增大，燃燒效率大大提高。而目前世界各國(guó)主戰(zhàn)坦克的發(fā)動(dòng)機(jī)主要以金屬材料為主，鋁合金的耐溫極限為350 ℃，鋼和鑄鐵為450 ℃，最好的超級(jí)耐熱合金的耐溫極限也不能超過(guò)1 093 ℃，金屬材料的耐溫極限極大地限制了發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的提升。使用各種冷卻裝置不但使發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜化，還增加質(zhì)量，耗費(fèi)大量功率。因此，專家預(yù)測(cè)，未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)比的提高，1/3 ～ 1 /2 的可能性取決于發(fā)動(dòng)機(jī)材料性能的提高。尋找一種理想的材料來(lái)代替現(xiàn)行的金屬材料是解決目前發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱效率低的有效途徑。

    精細(xì)陶瓷由于其具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、密度小、導(dǎo)熱率低等優(yōu)異性能而受到廣大發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、研究人員的青睞。許多專家認(rèn)為精細(xì)陶瓷在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用是內(nèi)燃機(jī)發(fā)明以來(lái)最鼓舞人心的新發(fā)展，它將最終解決發(fā)動(dòng)機(jī)要在苛刻環(huán)境下工作的問(wèn)題。20 世紀(jì)70 年代美國(guó)康明斯公司Kamo R 提出了陶瓷隔熱渦輪復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)（ 陶瓷絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)） 的設(shè)想，即以精細(xì)陶瓷替代現(xiàn)行的金屬材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)，采用減少或取消冷卻系統(tǒng)、但保持較高工作溫度的設(shè)計(jì)方案來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，并減小發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量。該設(shè)想得到了美國(guó)陸軍坦克汽車指揮部和能源部的支持，并于1975 年開(kāi)始實(shí)施一項(xiàng)絕熱機(jī)的長(zhǎng)期研究計(jì)劃，目標(biāo)是把絕熱機(jī)技術(shù)應(yīng)用于軍用載重車及坦克裝甲車輛，以滿足坦克動(dòng)力裝置對(duì)單位體積功率大，高可靠性、可使用性、可維護(hù)性，以及耗油率低等多方面的要求。在該計(jì)劃的支持下，美國(guó)研制的無(wú)冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)坦克，比安裝相同功率鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的坦克速度每千米縮短33 秒，體積和質(zhì)量減少21%。日本小松制作所在運(yùn)輸省的資助下，于1976 年開(kāi)展了缸徑為125 mm 的全陶瓷噴涂渦輪復(fù)合絕熱機(jī)的研制，并在1984 年完成1 000 h臺(tái)架耐久試驗(yàn)后轉(zhuǎn)入使用試驗(yàn)。德國(guó)聯(lián)邦科學(xué)技術(shù)部于1980 － 1983 年開(kāi)展了一項(xiàng)名為KEBOD的汽油機(jī)，柴油機(jī)陶瓷零件研究計(jì)劃。

    我國(guó)在“七五”、“八五”和“九五”期間也開(kāi)展了陶瓷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，先后研制成功6105型無(wú)水冷柴油機(jī)、6135 型渦輪復(fù)合絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)等幾種先進(jìn)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)。研制的6105 型無(wú)水冷發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行400 h 臺(tái)架試驗(yàn)考核后，被裝入一輛有45 個(gè)座位的大型客車，往返于上海和北京之間完成了4 000 km的裝車道路試驗(yàn)，油耗比增壓水冷機(jī)******下降5. 5%。此后，該客車作為班車經(jīng)常使用，至今已累計(jì)運(yùn)行5 萬(wàn)km 以上。“八五”期間，我國(guó)自行設(shè)計(jì)和制造的新型無(wú)水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，在氣候情況和地理環(huán)境十分惡劣的沙漠中，安全行駛了將近2 000 km。這些先進(jìn)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功，縮短了我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平之間的差距，使我國(guó)成為了世界上少數(shù)幾個(gè)能進(jìn)行陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的國(guó)家之一。

    但是，整體陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)難度非常大，特別是陶瓷材料的高成本和低可靠性這2 大問(wèn)題仍未圓滿解決，在現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和實(shí)用化還很不現(xiàn)實(shí)。因此，許多國(guó)家采用了先小后大、先近后遠(yuǎn)、先部件后整機(jī)、先常規(guī)后先進(jìn)的方針，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向陶瓷零部件，并從20 世紀(jì)80 年代后期起成為陶瓷材料在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的主流方向。到目前為止，這方面的成果已超出了實(shí)驗(yàn)室的研究階段，許多陶瓷零部件已大批生產(chǎn)，并在坦克裝甲車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。如美國(guó)M1A1 坦克的AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)采用了陶瓷渦輪葉片，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度提高到1 200 ℃，熱效率提高45%，節(jié)省燃料30%，并提高了坦克的機(jī)動(dòng)性能。M2 步兵車和M109 自行火炮等使用的AA750 型渦輪復(fù)合柴油機(jī)采用了整體陶瓷的陶瓷隔熱層，汽缸蓋底面和活塞頂采用了部分穩(wěn)定氧氣鋯隔熱，增壓器內(nèi)采用了氮化硅轉(zhuǎn)子和軸承。同水冷柴油機(jī)相比，大大減少了零件數(shù)量、體積、質(zhì)量、冷卻水，并降低了耗油率。

    進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)為研制新型主戰(zhàn)坦克，制造了以XAV-28 型低散熱柴油機(jī)為動(dòng)力的XAP-1000 整體式推進(jìn)系統(tǒng)。該機(jī)在關(guān)鍵件上用陶瓷替換了傳統(tǒng)的金屬材料，并且采用陶瓷涂層與空氣隙隔熱，在高耐熱合金活塞頂和合金鑄鐵缸蓋上涂覆陶瓷涂層。新型坦克與傳統(tǒng)的M1 主戰(zhàn)坦克的燃?xì)廨啓C(jī)相比，它的耗油率、體積和維修費(fèi)這3 項(xiàng)指標(biāo)都減少50%，超過(guò)了該國(guó)先進(jìn)的整體式推進(jìn)系統(tǒng)規(guī)定的要求。

    俄羅斯的PT-5 等坦克在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片、透平盤和燃燒室等部件上使用了反應(yīng)燒結(jié)SiC和Si3N4陶瓷，使得最高工作溫度達(dá)1 400 ℃，功率在880 ～ 1 100 kW 之間，******時(shí)速達(dá)85 km。

    德國(guó)在“豹”Ⅱ等坦克中使用的MT800 系列柴油機(jī)在排氣口鑲嵌了陶瓷構(gòu)件，燃燒室采用了陶瓷涂層隔熱技術(shù)，大大提高了燃燒效率、降低了油耗。

    日本將非氧化物陶瓷制造的燃?xì)廨啓C(jī)用在坦克上，將坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度從900 ℃ 提高到了1 200 ℃，并節(jié)省燃料20% ～ 25%，提高功率30%，質(zhì)量減小30%。這種陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)不但可以使用汽油和柴油，而且還可以使用甲醇和煤油。

    筆者等一直致力于工程陶瓷在坦克裝甲車輛中的推廣應(yīng)用工作，先后研制成功陶瓷柱塞偶件、陶瓷出油閥偶件、陶瓷氣門、陶瓷氣門座圈等。相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)的開(kāi)發(fā)豐富了工程陶瓷的應(yīng)用范圍，有力促進(jìn)了工程陶瓷在坦克裝甲車輛等武器裝備中的應(yīng)用。

    2. 2 在防護(hù)裝置上的應(yīng)用

    精細(xì)陶瓷的高強(qiáng)度、高硬度、低密度特性使得精細(xì)陶瓷成為制造裝甲防護(hù)系統(tǒng)的理想材料，如陶瓷裝甲的維氏硬度值高達(dá)1 500 ～ 3 500 HV，常用的碳化硼陶瓷其密度大約是裝甲鋼的1 /3 左右，同樣的防護(hù)面積，質(zhì)量卻可大大減小。此外，精細(xì)陶瓷還具有比金屬材料高得多的動(dòng)力學(xué)彈性極限。利用陶瓷材料的密度效應(yīng)、吸能效應(yīng)、磨損效應(yīng)等特性可顯著地提高坦克裝甲車輛的防護(hù)能力。

    根據(jù)防護(hù)要求的不同，目前應(yīng)用于裝甲防護(hù)裝置上的陶瓷材料主要有Al2O3、B4C、SiC、TiB2和AlN等5 種，其中應(yīng)用于坦克裝甲防護(hù)的主要為氧化鋁和硼化物基陶瓷。相對(duì)金屬材料而言，氧化鋁陶瓷硬度是標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)鋼的3 倍以上，而體積質(zhì)量不到標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)鋼的1 /2，且具有工藝性能穩(wěn)定、價(jià)格相對(duì)較低、能夠批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而在坦克裝甲車輛得到普遍采用。在上述5 種陶瓷材料中，硼化物基材料的抗彈侵徹性能最好，代表了坦克陶瓷裝甲的發(fā)展方向，但由于其獨(dú)特的金屬、共價(jià)和離子型鍵相互作用，使得其存在熔點(diǎn)高、燒結(jié)困難、制備方法復(fù)雜、工藝穩(wěn)定性難以控制、制造成本高昂等缺點(diǎn)，目前僅在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家得到應(yīng)用。

    陶瓷作為一種脆性材料，其斷裂韌度值非常低，不能承受任何疲勞或結(jié)構(gòu)負(fù)荷，也不能經(jīng)受多重打擊。因此，要達(dá)到滿意的防護(hù)效果，通常采用與其他裝甲材料組合使用的方式。自20 世紀(jì)60 年代美國(guó)首次在越南戰(zhàn)場(chǎng)上使用Al2O3 /Al 陶瓷復(fù)合裝甲以來(lái)，世界各國(guó)對(duì)陶瓷/金屬輕質(zhì)復(fù)合裝甲進(jìn)行了深入研究，陶瓷復(fù)合裝甲得到快速發(fā)展。最初的陶瓷復(fù)合裝甲主要為雙層裝甲系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用堅(jiān)硬的陶瓷面板來(lái)?yè)羲榛蜮g化彈丸，利用韌性背板發(fā)生變形以吸收彈丸和面板碎片的殘余動(dòng)能，從而有效抵抗彈丸侵徹。但是陶瓷與金屬之間的彈性模量、硬度、密度等存在階躍性變化，易于導(dǎo)致層間聲阻失配和應(yīng)力集中，極大限制了復(fù)合靶板的抗多次打擊能力。

    為解決這一難題，陶瓷復(fù)合裝甲系統(tǒng)由最初的雙層裝甲系統(tǒng)發(fā)展到后來(lái)的多層裝甲系統(tǒng)。到了20 世紀(jì)80 年代，西方國(guó)家和前蘇聯(lián)的主戰(zhàn)坦克均已廣泛采用了多層裝甲系統(tǒng)，俄羅斯的新式坦克采用了6 層裝甲系統(tǒng)。表1 列出了國(guó)外常見(jiàn)主要坦克使用的陶瓷復(fù)合裝甲基本情況。 

    20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，美國(guó)科學(xué)家提出了新型梯度裝甲的概念，并逐漸成為當(dāng)前裝甲材料發(fā)展趨勢(shì)之一。該梯度裝甲材料采用高硬度、高強(qiáng)度的陶瓷材料作面板，采用塑性好、抗拉強(qiáng)度高的金屬材料作背板，中間采用陶瓷含量沿厚度連續(xù)變化（ 或階梯變化） 的過(guò)渡層。該裝甲材料既具有陶瓷材料抗侵徹的優(yōu)越性能，又擁有金屬材料的良好韌性，可以顯著提高復(fù)合靶板的抗多次打擊能力，并且可以通過(guò)對(duì)梯度形式和界面的設(shè)計(jì)來(lái)減小沖擊波對(duì)復(fù)合靶的損傷，有效提高材料的抗彈性能； 同時(shí)由于所用組分為低密度陶瓷和輕質(zhì)合金，因此也為裝甲材料輕型化奠定了基礎(chǔ)。

    透明裝甲陶瓷是新興的一種陶瓷裝甲材料，目前主要以鋁酸鎂尖晶石、硝酸氧化鋁尖晶石和藍(lán)寶石等材料為主。該系統(tǒng)由多層組成，第一層通常為硬度較高的陶瓷面板，用于破碎彈頭或使其變形； 最后一層為韌性較高的聚合物，用于吸收彈丸和面板碎片的殘余動(dòng)能； 中間夾有柔性隔離層，以逐層添加的方式提供附加的防護(hù)能力，緩解由熱膨脹錯(cuò)配造成的應(yīng)力，并防止裂紋擴(kuò)展。透明裝甲陶瓷不但具有明顯的防彈能力和較高的透明度，其表面密度還僅為現(xiàn)有玻璃的65% 左右。在美國(guó)“未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)”中，采用S2 玻璃纖維層壓材料和陶瓷裝甲制造的布雷德利戰(zhàn)車車體，質(zhì)量比原來(lái)減輕達(dá)35% ～40%，并能降低熱信號(hào)特征、抑制噪聲、節(jié)省費(fèi)用和縮短生產(chǎn)周期。

 
    丁華東等以B4C 基陶瓷為骨架，以Al 合金為金屬填充物，提出了3DMC（ Tri-dimension MicrostructureComposite，三維微觀結(jié)構(gòu)復(fù)合） 的新概念，通過(guò)粉末冶金的方式將Al 合金熔滲入B4C 基陶瓷骨架，制備了B4C 基3DMC 新型裝甲材料，其結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。該材料具有硬度高，韌性滿足需求的特點(diǎn)，成為集結(jié)構(gòu)與功能于一體具有廣闊應(yīng)用前景的新型陶瓷基裝甲材料。

    2. 3 在火力裝置及其他方面的應(yīng)用

    隨著火炮口徑的不斷增大，炮彈初速越來(lái)越快，坦克火炮身管承受的壓力和溫度也越來(lái)越高。在高溫高壓以及火藥氣體的綜合作用下，特別是連續(xù)射擊時(shí)，炮管的燒蝕極為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了坦克裝甲車輛戰(zhàn)技性能的發(fā)揮。利用陶瓷的抗高壓、抗蠕變、高熔點(diǎn)及高溫化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，可有效抑制炮管的嚴(yán)重?zé)g，延長(zhǎng)其使用壽命。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室對(duì)坦克炮用陶瓷內(nèi)襯炮管的可行性進(jìn)行了評(píng)估，并采用概率統(tǒng)計(jì)方法對(duì)120 mm 炮管進(jìn)行了******化設(shè)計(jì)。研究認(rèn)為： SiC、Si3N4和SiAlON 等是最適合用作炮管內(nèi)襯的陶瓷材料，包纏纖維增強(qiáng)復(fù)合材料外保護(hù)套是解決陶瓷材料拉伸強(qiáng)度低、脆性大等缺點(diǎn)的******設(shè)計(jì)。采用陶瓷內(nèi)襯復(fù)合材料炮管技術(shù)可使炮管壽命提高50%，炮管單位長(zhǎng)度的質(zhì)量減小5% ～ 25%，直接火力的炮口動(dòng)能增加20%。陶瓷材料的高抗壓和抗蠕變特性也使其成為口徑20 ～ 30mm機(jī)槍槍管內(nèi)襯的理想材料，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，使陶瓷材料保持三向壓縮狀態(tài)，不但可克服其脆性，保證陶瓷襯管的安全使用，還可以有效抑制槍管的嚴(yán)重?zé)g。用微球型納米陶瓷粉末制備的潤(rùn)滑劑，可使普通的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變成了滾動(dòng)摩擦，在火炮身管和槍管噴涂這種潤(rùn)滑劑后可提高彈丸初速15%以上，同時(shí)可有效減少磨損量，提高武器使用壽命。

    利用精細(xì)陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等性能，還能有效地解決兩棲裝甲裝備的腐蝕與防護(hù)難題。在高溫、高濕、高鹽霧和高日照的服役環(huán)境條件下，兩棲裝甲裝備腐蝕較為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，兩棲裝甲裝備下海訓(xùn)練后，如果不及時(shí)清洗， 20 ～ 30 min 后車體就會(huì)出現(xiàn)許多紅色的浮銹， 12 h 后浮銹部位就會(huì)形成直徑約1 mm 左右的銹斑。整個(gè)車輛會(huì)因海水的腐蝕而直接導(dǎo)致裝備維修保養(yǎng)工作量增大、保障費(fèi)用上升、裝備故障率增高、戰(zhàn)技性能急劇下降。相對(duì)金屬材料而言，精細(xì)陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性極好，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿環(huán)境中也能保持較好的物理化學(xué)性能。實(shí)踐表明： 通過(guò)在裝甲鋼上噴涂陶瓷層的方式可有效阻止海水對(duì)裝甲鋼的腐蝕； 采用陶瓷泥技術(shù)可有效解決坦克輪轂處螺紋孔與螺栓的銹蝕難題； 氧化鋁制的陶瓷炮塔座圈彈子可有效解決坦克炮塔與座圈的咬死與粘連問(wèn)題。

    在坦克夜視裝置中，紅外熱像儀制冷壓縮機(jī)中的壓縮活塞和汽缸是紅外成像系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，在實(shí)際使用過(guò)程常因各種力、力矩的作用使得工作表面形成劃痕，磨損極為嚴(yán)重，致使壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)加劇，噪聲增大，影響制冷效果。美國(guó)Stirling 公司利用精細(xì)陶瓷耐摩擦、耐磨損的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)的氮化硅陶瓷壓縮活塞和汽缸壽命長(zhǎng)達(dá)2 000 h，大幅度提高了微型斯特林制冷機(jī)的制冷效果。據(jù)報(bào)道，日本也開(kāi)展了這方面的研究工作。

    3 精細(xì)陶瓷材料的應(yīng)用障礙及發(fā)展前景

    實(shí)踐證明： 精細(xì)陶瓷的優(yōu)越性能對(duì)武器裝備性能的提升具有重要意義，加快精細(xì)陶瓷在武器裝備中的應(yīng)用步伐、擴(kuò)大其使用范圍已成武器裝備發(fā)展必然趨勢(shì)。但昂貴的加工成本和較低的可靠性成為了束縛精細(xì)陶瓷在武器裝備中應(yīng)用的“瓶頸”。因此，要實(shí)現(xiàn)陶瓷在武器裝備中的實(shí)用化和普及化，關(guān)鍵在于提高陶瓷的使用的可靠性，降低其加工成本。

    為實(shí)現(xiàn)工程陶瓷的實(shí)用化和普及化，世界各國(guó)紛紛投入大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行研究，其中最具代表性的為美國(guó)。美國(guó)自1993 年起實(shí)施了一項(xiàng)為期5 年的熱機(jī)用低成本陶瓷計(jì)劃，研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)的陶瓷制備工藝和質(zhì)量控制技術(shù)，以期在提高質(zhì)量和性能的同時(shí)，將陶瓷部件的成本降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。從2000 年開(kāi)始，美國(guó)又實(shí)施了一項(xiàng)為期20 年的美國(guó)先進(jìn)陶瓷發(fā)展計(jì)劃，該計(jì)劃旨在將基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品使用幾個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合在一起，力爭(zhēng)到2020 年時(shí)使精細(xì)陶瓷能成為一種經(jīng)濟(jì)適用、性能可靠的******材料，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造業(yè)、航空、航天、軍事以及消費(fèi)品制造等領(lǐng)域。

    經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，陶瓷的性能得到顯著提升，加工成本明顯下降。為解決精細(xì)陶瓷的脆性問(wèn)題，人們相繼提出了纖維增韌、晶須增韌、相變?cè)鲰g、協(xié)同增韌及粒子強(qiáng)化等多種增韌強(qiáng)化措施，取得了很多有益的研究成果。特別是納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大幅度提高，為精細(xì)陶瓷的應(yīng)用開(kāi)拓了新領(lǐng)域。此外，人們還受貝殼、竹、骨骼等天然生物材料的啟發(fā)，提出了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念，為陶瓷材料的強(qiáng)韌化提供了一條嶄新的研究和設(shè)計(jì)思路。

    陶瓷作為一種硬脆材料，其加工方式主要以金剛石砂輪磨削為主，加工成本占到陶瓷部件總成本的60% ～ 80%，部分甚至高達(dá)90%。因此，要降低陶瓷部件的成本關(guān)鍵在于降低其加工成本。為降低精細(xì)陶瓷的加工成本，在發(fā)展傳統(tǒng)機(jī)械加工的基礎(chǔ)上，ELID 磨削加工、化學(xué)機(jī)械加工、電火花加工、超聲加工、激光/等離子加工、高壓磨料水射流加工以及各種復(fù)合加工工藝等先進(jìn)加工方法和加工工藝如雨后春筍，大大提高了陶瓷的加工效率并降低了加工成本。

    可以相信，隨著陶瓷性能的不斷完善和使用成本的不斷降低，精細(xì)陶瓷在坦克裝甲車輛等武器裝備上將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

作者：唐修檢，田欣利，何嘉武，吳志遠(yuǎn)，姚巨坤

來(lái)源：中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)