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装甲防护材料与技术为军用装备穿上“防弹衣”

2018-01-26 13:14:17
作者:本网整理
来源:《腐蚀防护之友》

现代战争的对抗程度空前激烈。远程攻击、战场流弹、预置破片等高性能武器爆炸形成的全方位、立体式、高密度的破片袭击造成严重的车辆损坏和人员伤亡。为适应现代战争模式的转变,对军用车辆防护水平要求越来越高,研究军用车辆装甲防护技术,提高军用车辆战场防护水平尤为重要。

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    现代战争的对抗程度空前激烈。远程攻击、战场流弹、预置破片等高性能武器爆炸形成的全方位、立体式、高密度的破片袭击造成严重的车辆损坏和人员伤亡。为适应现代战争模式的转变,对军用车辆防护水平要求越来越高,研究军用车辆装甲防护技术,提高军用车辆战场防护水平尤为重要。

    装甲防护材料性能及应用

    装甲防护材料性能及应用国内外装备装甲防护材料主要有防弹玻璃、防弹钢板、防弹陶瓷、防弹高强玻纤、防弹芳纶纤维、防弹 PE 纤维等。

    1、 防弹玻璃
 
    目前防弹玻璃主要是由无机玻璃与有机材料复合而成,其主要有以下几种:

    (1)浮法玻璃与 PVB 中间膜的夹层复合。

    该方法是多层浮法玻璃中间用聚乙烯醇缩丁醛中间膜粘结并经高温高压处理使它们复合在一起而成为一透明整体,形成具有防弹能力的玻璃。这种防弹玻璃的优点是光学性能非常优秀,并表现出良好的抗冲击性能,同时耐环境稳定性好、不易老化、寿命长、成本较低、容易维护;缺点是体积质量大,适合安装于固定的场所使用。

    (2)夹层玻璃与有机透明板叠加或复合。

    这种防弹玻璃有两种形式,一种是在一层夹层玻璃的后面放置一层有机透明板材,夹层玻璃置于有机透明板之前作为着弹层,这是叠加方式。另一种是玻璃与聚碳酸脂板、(PC 板 ) 直接复合为防弹玻璃,粘接材料为聚氨脂膜 (PU膜),生产工艺方法与PVB 夹层法类似。上述两种方法由于使用了较多的有机材料,与 PVB 玻璃相比有以下特点:

    第一,体积质量小,在相同厚度或相同质量的情况下防弹能力强;第二,该种防弹玻璃在受到枪击时只要不被子弹穿透就不会有飞溅物产生;第三,有机材料的刚性远不及玻璃。由于有机材料的热膨胀系数与玻璃不同,易产生变形,光学性能也不易控制;第四,有机材料直接暴露于大气中易被老化,材料表面硬度低,极易被划伤,因此使用寿命较短。此外,这种防弹玻璃的成本非常高,一般在车辆、船舶、飞机上使用。

    军用车辆宜选用夹层玻璃与有机透明板复合而成的防弹防暴玻璃,它是由优质安全玻璃与进口高强度 PC 板(抗冲击强度为玻璃的 250 倍的聚碳酸脂)通过PVB 胶片(聚乙烯醇缩丁醛中间膜)采用高压聚合而成。质量只是普通防弹玻璃的65%,并且具有很强的抗冲击性、阻燃性、透光性好和无飞溅物等特点。该种防弹玻璃价格适中,易被一般用户采纳,使用寿命长,可与建筑物或车辆等长久共存。

    2、防弹钢板

    金属防弹材料(包括防弹钢、铝合金、钛合金等)从过去到现在一直广泛应用于军用(坦克、装甲车等)和民用防护(运钞车、武警、公安防爆车及防弹轿车)领域,且随着武器弹药对装甲防护材料的抗侵彻能力、抗冲击能力和抗崩落能力的要求的提高,金属防弹材料从普通钢装甲发展到高硬度钢装甲、双硬度钢复合装甲、乃至钛合金装甲,防护能力不断提高。装甲钢材料主要为Cr 2 Ni 2 Mo 合金系列装甲钢,其通过调整碳含量来改变装甲钢板的硬度,将装甲钢板以硬度值 HRC50 分类,24C、28C、30C 的硬度小于或等于 HRC50, 属于高硬度装甲钢;39C 和 44C 的硬度大于HRC50, 属于超高硬度装甲钢。

    随着碳含量的增加,装甲钢板的强度和硬度提高,塑性和韧性下降。

    用于防轻型机枪的防弹板有两大类:一类为热轧板材,以 SSAB 公司的DomexProtect (Defend)250和300为代表。 这类钢板的抗拉强度为 900 ~ 1000MPa,综合性能好,板厚 3.0 ~ 3.2mm, 其冷加工性、冷弯性能(d=2a 180℃不开裂)、可焊性等性能良好。另一类为热处理钢板,是通过对热轧板进行淬火、回火热处理来提高强度以满足其防弹要求。瑞典的 DomexProtect(Defend)500 是其典型牌号之一。其抗拉强度大于 1500MPa,用于防轻型冲锋枪时,其厚度可减至2.4 ~ 2.6mm; 防 56 式冲锋枪时其厚度为 4.5mm. 冷弯半径需大于 18mm, 同样具有良好的可焊性。这类钢是将微合金化的 C-Mn 钢。通过控轧或热处理来获得上述性能的。冶炼时尽可能降低P、S 和 O 含量,降低夹杂物,以保持钢的可加工性。

    传统金属装甲材料如钢板密度大,大杀伤力及爆炸力强武器要求装甲必须达到一定厚度,而使用过厚过重的钢板装甲,对于车辆、船舶、飞机来说就必须牺牲其有效载荷。同时过重的装甲材料使其不易操纵、减小灵活性并增加了发动机的故障率。

    3、防弹陶瓷

    1918 年,人们发现在金属表面覆盖一层薄而硬的搪瓷,便可提高其抗弹性能,故该技术一战期间用于坦克。60年代以后采用 A 12 O 3 陶瓷面板装甲与铝或玻璃钢背板粘结制成复合防护装甲,可防高速弹丸的侵彻,后来又陆续出现了 B 4 C、SiC、Si 3 N 4 等陶瓷装甲材料。

    陶瓷是一种脆性材料,在收到冲击时容易破碎,通常不单独做成防护装甲,而是与金属和其它纤维材料一起做成复合装甲;复合装甲中使用的陶瓷通常被改成陶瓷块,使得当某块陶瓷被弹体击碎时,其它陶瓷块还仍然有效。

    陶瓷材料主要应用于以对付中、大口径长杆穿甲弹为首要目标的装甲系统, 这些弹药主要采用烧蚀破坏机理,另外也应用于防弹背心,陶瓷与复合背面材料结合使用提供要求的防护能力。

    工程应用中,陶瓷复合装甲广泛用在坦克、装甲车等装备的防护装甲上。但陶瓷材料塑性差、断裂强度低、易产生脆性断裂,且不能二次防弹,此外,其成型尺寸较小、生产效率低,且因其具有极高的硬度和脆性,二次成型加工十分困难,特别是成型孔的加工尤其困难,因而制备成本高,使用局限性较大。

    目前,用于防弹的三大陶瓷材料是氧化铝(Al 2 O 3 )、碳化硅(SiC)和碳化硼(B 4 C)。氧化铝因其成本低而在防弹上得到更广泛的应用,但其防弹等级最低、密度也最大;碳化硼防弹性能最好、密度最小,但其价格最为昂贵,20 世纪 60 年代就最先用来作为设计防弹背心的材料;碳化硅陶瓷材料在成本、防弹性能和密度指标方面均介于二者之间。因而最有可能成为氧化铝防弹陶瓷的升级换代产品。

    4、防弹高强玻纤

    早在二战期间,美国已开始进行玻璃钢装甲的研究,并成功研制了玻纤 /聚酯装甲材料。随着 S-2 高强玻璃纤维的出现,高性能玻璃纤维复合材料作为较廉价的抗弹装甲材料,成为第一代复合装甲材料。其抗弹能力可达到钢的 3倍以上。前苏联用玻璃钢复合装甲装备T-72和T-80坦克,其复合装甲结构为:钢+钢+玻璃钢+钢+内衬的5层结构,这种复合装甲可以吸收动能弹的大量能量。德国的布洛姆 - 福斯公司也研制了类似的结构系列,并已装在德国陆军和丹麦陆军的“豹”1A3 主战坦克上,它的防护能力达到焊接炮塔的“豹”1A4主战坦克的水平。美国陆军材料与力学研究中心(AMMRC)用高强玻纤复合材料制造履带和轮式车辆的结构装甲,如美国联合防务公司的“布雷德利”复合装甲型步兵战车就采用了 S-2 型高强玻璃纤维和聚酯树脂模压工艺制备的结构复合材料。玻璃钢还被用于武装直升飞机、运输机和通讯联络直升机的复合装甲结构材料。

    高强玻纤最早由美国欧文斯 - 康宁(OC)公司开发研制,其兼具优异的抗弹性能、降噪和特征信号低等优点,能有效提高装备的生存能力和快速反应机动性能,其优异的性价比更是其在装甲防护领域具有举足轻重的作用。玻璃纤维复合材料本身的结构强度也非常好,而且生产工艺简单、成本低廉,越来越多地作为结构 / 功能一体化材料用于装甲车体及结构件。国内南京玻纤院中材科技等企业已实现高强玻纤的工业化生产,独立自主开发并规模化工业生产中 HS2 号和 HS4 号系列高强玻纤,其中 HS4 高强玻纤产品性能接近或达到美国 S-2 玻纤,其制品有 SW220 和SW360 缎纹高强度玻璃纤维布。

    5、防弹芳纶纤维

    美国首先将芳纶复合材料制成防弹头盔和防弹衣,接着又将芳纶纤维层压板与陶瓷或钢板复合,用作坦克装甲,如美国MI主战坦克采用“钢+Kevlar+钢”型的复合装甲,它能防中子弹以及防破甲厚度约 700mm 的反坦克导弹,还能减少因被破甲弹击中而在驾驶舱内形成的瞬时压力效应。美国 M113 装甲人员输送车内部结构的关键部位也装备了Kevlar 衬层,可对破甲弹、穿甲弹和杀伤弹的冲击和侵彻提供后效装甲防护。美国的 V22Osprey 军用机和军用直升飞机使用的防弹复合材料背板与陶瓷面板组成的复合装甲是直升飞机最理想的轻质装甲。

    6、防弹PE纤维

    超高分子量聚乙烯纤维复合材料(荷兰和美国的商品名分别为 Dyneema和 Spectra)是具有优异综合性能的高性能纤维,其特点是高强度、高模量、低伸长以及比水还轻的低密度,具有优良的耐腐蚀性、耐紫外线能力和抗切割、耐磨性,而且吸湿小,不受环境影响,加之其氢原子含量高,因而防中子和防γ 射线性能优良。

    Dyneema 的防弹板主要用作车辆、坦克、飞机、直升飞机和舰船的要害部位等。

 

资料来源:网络

标签: 军事装备, 装甲, 防护材料

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