防弹装甲领域的明星超硬材料-碳化硼

陶瓷材料的高比刚度、高比强度和在复杂环境下的化学惰性，同时相对于金属材料所具有的低密度、高硬度和高抗压强度，使其在装甲系统上的应用十分具有前景，并已经广泛应用于防弹衣、车辆和飞机等装备的防护装甲中。

金属材料可以通过塑性变形吸收弹头的能量，而陶瓷作为脆性材料，在弹头较大冲击力作用下，陶瓷材料主要通过微破碎过程吸收能量。目前，常用的装甲陶瓷材料主要为碳化硼(B4C)、碳化硅和氧化铝。相对于另外两种材料，碳化硼具有更低的密度，更高的硬度，更高的弹性模量。

通过在碳化硼中添加硅，可以使防弹衣更具抗冲击性，碳化硼是一种通常用于制造防弹背心的材料。

德州农工大学（Texas A&M University）研究人员的这项研究已发表在《科学进展》上。

“在过去的12年中，研究人员一直在寻找减少高速子弹对碳化硼制成的装甲的冲击造成的损害的方法。”谢昱玄(Kelvin Y. Xie)博士，材料科学与工程学系助理教授说。“我们的工作*终解决了这一未满足的需求，这是设计*防弹衣的一步，它将在战斗中防御更强大的枪支。”

*种可以扩展到防弹衣和运动服的合成拉胀材料（synthetic auxetic material）

碳化硼被称为“黑钻石”，其硬度仅次于立方氮化硼。与立方氮化硼不同，据说碳化硼比碳化硅等其他装甲材料更易于大规模生产，并且更硬，更轻，使其非常适合防弹背心和其他装甲项目。

根据德州农工大学的说法，碳化硼的主要缺点是在受到高速撞击时会很快损坏。

研究人员在一份声明中说：“碳化硼确实擅长阻止以每秒900米速度移动的子弹，因此它可以有效地阻挡大多数手枪的子弹。但是如果超过这个临界速度，碳化硼会突然失去其弹道性能，变得没有那么有效。”

科学家们知道，高速振动会导致碳化硼发生相变，其中一种材料会改变其内部结构，并同时呈现两个或多个物理状态。子弹的撞击将碳化硼原子从系统有序排列的晶体状态转变为无序排列的玻璃态。这种类似玻璃的状态会削弱子弹与碳化硼之间接触部位的材料完整性。

谢说：“当碳化硼进行相变时，玻璃态会为裂纹的传播创造一条道路。因此，由子弹的撞击造成的任何局部损坏很容易在整个材料中传播，并造成越来越多的损坏。”

先前使用计算机模拟进行的工作预测，添加少量的其他元素（例如硅）有可能使碳化硼变的不那么脆。谢和他的小组研究了添加少量硅是否也减少了相变。

为了模拟高速子弹的初始冲击，研究人员在带有金刚石*的碳化硼样品上制作了可控的凹痕。然后，他们使用高功率电子显微镜观察了由撞击造成的微观损伤。

研究人员发现，即使硅含量很少，相变程度也下降了30％，明显减少了压痕造成的损害。

尽管硅可以很好地增强碳化硼的性能，但还需要做更多的实验才能知道其他元素（例如锂和铝）是否也可以改善碳化硼的性能。