本发明涉及的是装甲材料，尤其是涉及用于弹及弹片防护的装甲材料。 在考虑到用于人及装备的防护装甲时，有几项因素是十分重要的。当然，最重要的是装甲阻止或偏散弹丸的能力。抗穿透能力依赖于弹的属性、装甲及其实际支撑基的厚度、以及装甲自身的内在物质属性。在应用于运载工具，尤其是飞机时，一个重要的参数是装甲的密度。为提供充分的防护，通常需要相当大量的材料。而轻装甲在运载装置及推进器的制造方面没有过分的要求。另外，较低致密性的装甲使我们有机会在较小重量负荷下使用较大的厚度。考虑到装甲运载工具制造的经济性，一个额外的重要因素是所需装甲的成本。显而易见，具有必要的弹道性能的低成本装甲在装甲应用中有其优越之处。
由于某些原因，钢一直是装甲的传统选择材料。它并不昂贵，易于制造，可靠性好，且呈现令人满意的弹道学性能。遗憾的是，钢太沉重，其密度通常在8g/cm3左右。为发展轻质装甲，在装甲应用中对一些陶瓷材料进行了检验。氧化铝，一种具有约4g/cm3的密度及高抗压强度的低成本陶瓷代表了一种有潜在使用价值地装甲材料。对于0.30口径的穿甲（以下称为Ap）弹，它的弹道学性能差不多是钢的两倍。此外，由于采用低成本Al2O3粉末的低廉制备技术，氧化铝装甲的价格可与钢的相比拟。尤其是，若与另一些制备致密陶瓷的方法相比，氧化铝部件可用无压烧结技术制备，这是一种固有的低成本，太规模工艺。无压烧结必然需要在高温下将疏松的粉末坯料（生陶瓷，密度为理论密度的40～70%）致密化。
除氧化铝外，其它陶瓷，包括其它氧化物以及各种碳化物、氮化物和硼化物也代表了有潜在使用价值的装甲材料。由于碳化硼的低密度及高硬度，它一直在直升飞机上被用作飞行员的防护。然而，高性能的碳化硼必须经热压，即同时处于热和机械压力的作用下以获得完全致密的部件。与无压烧结相比，热压实质上是一种更为昂贵的致密化技术。此外，热压部件仅限于简单的几何形状。因此，热压陶瓷并不能代表低成本装甲。
脆性是陶瓷在许多应用中的主要限制因素。陶瓷的断裂韧性或抗断裂能力相对于金属来说一般是相当低的，因金属在应力作用下会产生塑性变形。这种塑性变形，如在射击撞击期间可提供一种机制，以释放由弹丸所引起的应力。此外，塑性变形可延长弹穿透装甲所需要的时间，在此附加的时间内必然会伴随发生弹的继续磨损。因此，撞击期间的延展性是减少穿透可能性的一种机制，其可改进（材料的）弹道学性能。大多数陶瓷表现出较低的延展性，但仍可作为装甲使用，因为它们具有高的抗压缩性，其压缩屈服强度及弹性阻抗显示了这一点。研究表明：弹性阻抗可能与材料的硬度有关。例如Viechnicki，D，等人在第三届Tacom装甲协作会议（Monterey，CA，1987年2月17～19日）上所作的“1987年的装甲陶瓷”报告中指出：陶瓷装甲的弹道学性能与弹性模量、硬度、相纯度及音速的高值以及孔隙度，断裂韧性和泊松比的低值密切相关。
Wilkins，W.L.，等人在《第四次轻质装甲发展进程报告》（Lawrence Livermore实验室，报告UCRL-50694（1969））第22页总结了对各种陶瓷装甲材料所进行的弹道学实验结果。氧化铝显示的弹道效率相对于碳化硼而言为0.66～0.73。其它材料显示了更高的效率，但这些材料的大多数都含有铍，鉴于健康方面的原因，这些材料作为被怀疑的对象现在已不受欢迎。碳化硼、硼及AlB12是余下的性能优于氧化铝的装甲材料。然而，这些材料必须经热压，因此对于装甲领域中的广泛应用实为过分昂贵。
总之，我们所需要的是一种具有相对低的密度、低成本的陶瓷装甲，且与许多其它陶瓷装甲相比其能提供较好的弹道效率。
本发明包括一种用于提供弹防护的装甲，该装甲包括烧结的氮化铝并具有改进的弹道效率。出乎意料的是，这种具有相对低的成本及低密度的装甲与其它低成本低密度材料相比，提供了改进的抗穿透性。根据上述Viechnicki等人的准则，这一点是预料不到的，因为这植牧喜⒉皇翘乇鹩玻溆捕冉鼋咏趸恋囊话耄蓟鸬娜种弧４送猓阅Ａ俊⑾啻慷取⒁羲佟⒖紫抖取⒍狭讶托院筒此杀鹊闹挡⑽丛な境龅粱崾怯帕嫉淖凹撞牧稀?
本发明的装甲可用作飞机或陆用运载器中的人员保护，且可被人员穿戴以免遭身体伤害。
图1是按实施例1制备的无压烧结Al.N断面的扫描电镜显微照片。
图2是按对比例1制备的热压AlN断面的扫描电镜显微照片。
本发明的装甲可由纯氮化铝或氮化铝加一种或多种烧结辅助剂来制备。
氮化铝是一种熟知的材料。本发明采用的氮化铝粉末的制备方法可以是已知几种工艺中的任何一个。适于本发明使用的粉末生产合成工艺的例子是所谓的碳热合成及金属铝氮化工艺。在碳热反应中，氧化铝和碳的粉末相混合，于大约1700℃及氮气氛下焙烧。氮化反应包括金属铝与氮气在大约1000℃下进行反应。这些工艺已被证明可制备细的（平均颗粒尺寸小于1微米）、高纯度的、非团聚粉末，该粉末适于用作AlN装甲的制备。本领域的技术人员能够设想另外的合成工艺来得到适于用作AlN装甲（制备）的粉末。氮化铝亦是市售材料。本发明可采用的典型AlN粉末其成分例如为至少94%的氮化铝、最多5%（重量）的结合氧及最多1%（重量）（以金属计）的杂质。当然，以烧结辅助剂的形式加入的金属化合物不认为是杂质。
优选的氮化铝细粉至少含有97%（重量）的氮化铝，且结合氧量最多为3%（重量）、以及最多0.5%（重量）（以金属计）的杂质。据认为，结合氧是以与金属（包括作为杂质的金属）键合的形式、或以氧化铝的形式存在。结合氧含量和杂质含量极大地影响氮化铝的可烧结性。最佳的情况为结合氧含量最多2%（重量），杂质含量最多0.3%（重量）（以金属计）。
作为杂质的金属化合物可以是来自用于生产氮化铝的原材料中，或来自制备工艺中使用的溶剂、混合装置、管道等。这些杂质包括硅、镁、铁、铬、镍、钴、铜、锌、及钛的化合物。在氮化铝细粉中，这些金属化合物的含量最好是不超过0.1%（重量）（以金属计）。
这些杂质中，未反应的氧化铝和碳以及由氮化铝表面氧化所形成的氧化铝并不损害本发明的氮化铝的性能。例如，0.3～0.5%（重量）的存在量的阳离子杂质，如氧化铝和氧化硅，对大气压力下氮化铝的烧结能力并无有害的影响。
本发明采用的氮化铝粉末最好是：它可在氮气氛下于1900℃通过烧结而致密化，烧结时可随意加入烧结辅助剂，其密度达到理论密度（3.26g/Cm3）的90%以上并具有下述特性：
平均颗粒尺寸：＜5微米
组成：＞94%的AlN
主要杂质：氧＜2%（重量）
金属＜0.3%（重量）
该粉末最好是可以在能促进完全致密体产生的添加剂存在的条件下（或没有该添加剂存在的条件下）被烧结成完全致密体的粉末。例如，在未加烧结添加剂的条件下经无压烧结制备的碳热合成粉末，其性质如下：
纯度：＞97%（99.9%的金属基）
氧含量%：＜1.2
碳含量%：＜0.10
硅含量：＜200ppm
过渡金属（Ni，Fe，Cr，Co，Cu）：每种＜10ppm
颗粒形态：近似等轴，松散聚团
极限颗粒尺寸：近似1微米
平均表面积：2～4m2/g
颜色：白～浅灰
由这样的粉末制备的生陶坯可在装填有氮练勰┑牡疔巅鲋杏诘铡?900℃条件下，经2小时无压烧结，以达到完全致密（＞95%的理论密度）。
依赖于AlN粉末的颗粒尺寸和聚团程度，为使其达到完全致密化（＞95%的理论密度）可需要一种烧结辅助剂。AlN烧结辅助剂有利于低温（低于烧结温度）液相的生成。这种液体起到了促进材料扩散、晶粒生长和消除孔隙度的流体的作用。这种烧结辅助剂还有助于高密度另件的获得，并在降低所需要的烧结温度方面表现出功效。此外，烧结辅助剂可起到改进装甲制品的弹道学性能的作用。因此，在制备本发明的装甲过程中最好使用烧结辅助剂。大量的化合物在AlN粉末的烧结过程中表现出功效。这些烧结辅助剂包括：金属钇的化合物、镧系金属及周期表ⅡA族元素的化合物，包括氧化物、氮化物、硝酸盐、铝酸盐、碳酸盐、碳化物等。
优选烧结辅助剂的例子包括至少一种选自下组中的金属所构成的化合物：碱土金属、镧系金属和钇。前面已经知道，这些金属氧化物对于氮化铝是有效的烧结辅助剂。碱土金属包括铍、镁、钙、锶和钡。镧系金属的例子包括镧、铈、镨、钕、钜、、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥，其中，优选的是镧、钕和铈及其混合物。最佳烧结辅助剂化合物的例子包括氧化钇、氧化钙、碳酸钙、氧化镧和铝酸三钙。一般地讲，高纯度是本发明工艺中所采用的烧结辅助剂的一个突出的性质。同时，烧结辅助剂的颗粒尺寸可在很大的范围内变化，其平均颗粒尺寸的较佳范围是大约0.1到大约5微米，最好是其最大颗粒尺寸小于大约10微米。如果使用烧结辅助剂，其用量应是以促使氮化铝的烧结。以氮化铝加烧结辅助剂总克分子数计算，当使用的是ⅡA族基烧结辅助剂时优选的用量为大约0～3.6%（摩尔）。而若采用的是基于金属镧或钇的烧结辅助剂时，优选的用量为大约0～2.6%（摩尔），仍以氮化铝加烧结辅助剂总克分子数为基础计算。
可用任何公知的方法将烧结辅助剂结合进氮化铝粉末中。掺合该材料的主要原因是为了将烧结辅助剂均匀地分散到氮化铝粉末中，从而生成一种完全的混合物。粉末的聚团或颗粒的尺寸最好也通过混合操作期间的研磨来减小。混合及研磨操作可于本领域所熟知的任何设备中进行。例如，最好是使用诸如常规球磨机这样的研磨设备。在混合操作中可使用或不使用液体介质。
可按本领域的公知方法烧结这种复合粉末。这些方法是利用气氛、温度及时间的改变将离散的陶瓷粉粒粘结并固化成致密的整块陶瓷部件。烧结最好是在大气压力下进行，根据本领域技术人员所公知的准则，改变时间、温度及压力以形成装甲制品。
在无压烧结工艺中通常要形成生陶瓷体（坯）。形成生陶瓷坯的方法对于本领域的一般技术人员是熟知的，它包括（但并非限定）单轴压制、冷等静压、注入模压、挤压、以及粉浆浇铸。因此，按照本方法，生坯的形成是致密化之前的一个必要或优选的步骤。生坯的密度最好为其理论密度的至少50%。
应该清楚，在加工过程中所有其温度高于700℃的阶段，由于存在有不希望之氧化的可能性，因而最好用非氧化气氛保护氮化铝粉末及生坯。适于用作非氧化气氛的惰性气氛包括：例如氮气、稀有气体、其混合物及类似物。
氮化铝和烧结辅助剂应不含有那些与组分相互作用并损害陶瓷结构的完整性、或损害该复合材料所需要的特性或性能的杂质。按照本发明，尽管其不是必不可少的，但我们仍希望对粉末进行纯化，以便使其达到至少95%（重量）的纯度。该粉末最好具有更高的纯度，例如至少达到98%（重量）的纯度。在可能的情况下及实际极限范围内，该粉末的纯度应至少为大约99.9%（重量）。
当氮化铝粉末和烧结辅助剂被置于上述的工艺条件下时其就可形成本发明的装甲制品。装甲制品最好是基本上不含游离金属、氮化硼和二硼化钛。在本发明的意义中，术语“基本不含”是指所说的物质不存在或存在量小于大约1.0%（重量）。较好的装甲基本上是由氮化铝和任意的烧结辅助剂构成，而最佳的装甲就是由氮化铝和任意的烧结辅助剂构成。装甲的密度最好是理论密度的至少大约95%，最可取的是理论密度的至少大约98%。本发明装甲的弹道学效率最好为至少0.84，最为可取的是至少0.85。在本发明的意义中，术语“弹道（学）效率”是由下面讨论所限定的变量φ来代表。
当以性能/重量基础评定痹诘淖凹撞牧鲜保悸且幌旅婷芏雀拍钍怯杏玫摹Ｃ婷芏龋ㄒ韵录亲鰽D），单位为g/cm2，是材料密度与阻止以标准速度V飞行的弹（丸）所必需的厚度L的乘积：
AD＝ρ·LV
例如，L2700表示排开以2700呎/秒速度飞行的0.30口径AP弹所需要的装甲厚度。因此，将装甲“A”与装甲“B”相比，AD比值就能提供一种相对的弹道学性能的测量方法。为使本发明报导的结果标准化，所有的AD值皆与市售热压B4C的AD值进行比较。标准的弹道学效率φ是：
φA＝ (ρB4C L2700,B4C)/(ρA L2700,A)
其中φA值大于1时表示材料A的性能优于B4C，而φA值小于1时表示该材料的性能劣于B4C。某些代表性的材料的数据列于表1（均为2700呎/秒飞行的0.30口径AP模拟器）。
下列实施例和比较实验是为详细说明本发明而不应理解为限制本发明的范围。所有的份及百分率如无特别指定均为重量（单位）。
实施例1
由下述配方配制粉浆：285克商用级氮化铝;15克商用级Y2O3;112.5克HPLC级甲苯;3克鲱鱼油和0.3克分散剂（可由Chevron化学公司购买，商品名ALOA/1200）。将该粉浆置于一含有氧化铝球的聚乙烯瓶中。封闭瓶口，将配料研磨约20小时。
球磨处理完成后，用由两部分构成的Paris石膏模将粉浆注成盘。（该模之）一部分是一块固体平板，而另一部分是设置于第一个盘上的空心环。用总量为193克的粉浆经连续5次倾注充填模腔（模腔的体积近似为84cm3）。在每次倾注之间需用一平玻璃片盖住模腔，以减缓甲苯蒸气的损失。在浇铸过程中，不断地振动模具以保持触变性粉浆的流动。将浇铸盘收集并干燥。
重复上述工艺直到制成6个浇铸盘。干燥的盘彼此叠置于一石墨坩埚中。在该工艺中，呈惰性的少量氮化硼粉末被用来防止AlN盘与柔性石墨片间的直接接触，该石墨片是被用作盘之间的隔离层。柔性石墨片也可用于提高烧结过程中的温度均匀性。将坩埚置于一有氮气流过的石墨电阻炉中，然后，该盘于1875℃下烧结2小时。使盘冷却并对其机加工以得到平滑并平行的上、下表面。烧结盘的密度为理论密度的99.5～100%。
对比例1
将120克氮化铝粉末装入一直径为3吋的石墨热压模中，模壁内表面衬有一层厚度为0.005吋的柔性石墨材料片，该热压模阳模表面复有厚度为0.015吋的柔性石墨材料片并再复一层氮化硼粉末。于1800℃及300psi的压力下在氮气流中对该样品进行热压，直至收缩停止，这可用力学传感器来测定。热压工作的密度为3.26克/厘米3，也就是理论密度的100%。重复上述工艺数次，将所得的瓦板经机加工使其厚度为0.28吋。
弹道学性能
用商品名为Conathane TU-600，自CONAP公司购得的聚氨基甲酸乙酯粘结剂将来自实施例1和对比例1经机加工的瓦片安置于铝板上，铝板厚0.25吋。瓦片要紧固地安置并经受0.30吋直径的不锈钢弹（丸）的撞击。这种弹是由淬硬级为F7的高强钢（其洛氏硬度RC为54～56）经机加工成锥形柱体，带有一个标准尺寸的0.30口径弹（头）（长0.9吋、直径0.3吋、重8.32克）。结果汇总于表1。实施例1瓦片的断裂方式是沿晶的，见图1。比较例1瓦片的断裂模式是穿晶状，见图2。
出乎意料的是，本发明的氮化铝装甲展示了抗0.30口径弹（丸）穿透的能力。与对比例1热压材料的0.83的弹道效率相比，实施例1的烧结AlN的弹道效率为0.85，对应于2.4%的效率增加，其表明了令人满意的弹道学性能的改进。按照前面所述的Viechnicki等人报导的关于优良弹道学性能的标准，这一结果出人预料。虽然，装甲性能的改进被认为是与高的硬度、弹性模量、音速和相纯度相关，但烧结AlN在（上述）各方面都显著地劣于热压AlN。硬度低20%，模量低4.5%，VS减少3.6%且相纯度低4%。弹道学效率的改善也被认为应对应于低的孔隙度、KIC，泊松比和密度。虽然烧结材料与热压材料的孔隙度水平相当，但对于KIC和泊松比尚无结论。然而，烧结材料的密度较热压材料的高2%。图1和图2说明了相纯度对断裂方式的影响。由烧结材料的断裂表面可知，断裂主要是以沿晶的方式发生。在烧结AlN内存在的第二相导致了断裂通过该晶界相进行。相反，热压材料是以穿晶方式断裂。联想到前述的Viechnicki等人将良好的装甲性能与穿晶断裂相联系而不是与沿晶断裂相联系，因此，按前述Viechnicki等人确定的准则，烧结AlN能在弹道学试验中实际上胜过热压AlN是非常令人吃惊的。
表1
表1（续）
l＝纵向，S＝切向