轻量化防弹材料应用

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作者:xingi

摘 要:轻量化是对防弹装备提出的重要要求之一,对防护材料要求具有质量轻,比强度和比模量高等一系列优点,越来越受到广泛重视。文章主要介绍了高性能轻量化防弹材料的分类并从防弹车辆的轻质透明装甲和披挂复合装甲等与现有材料进行对比分析,为后续产品开发提供思路。

关键词:轻量化;透明装甲;披挂复合装甲

1 引言

传统的防弹材料多采用防弹钢板,利用增加材料厚度或叠层使用等手段实现其防护效果,这给装甲装备造成较大的重量负担,制约战术战略有效发挥。重量是影响装甲装备实现战场快速反应能力的主要因素之一,现代高技术战争对装甲装备的重量指标提出了极为苛刻的要求,即在满足高抗弹性的前提下,具有轻量化、高性能化、高机动灵活性等,高性能轻质防弹材料的出现解决这一问题,采用非金属复合材料,减少防弹钢板厚度,有效降低防弹车的整车整备质量,实现轻量化的目标。有关研究表明,高性能纤维防弹复合材料的体密度一般为0.9~2.0g/cm3,只有防弹钢密度的1/8~1/4,其比模量是防弹钢的3~5倍,比强度是防弹钢的4~10倍。因此,高性能纤维防弹复合材料用于车辆防护可以大幅度减轻重量,或在相同重量条件下提供更高的防弹防护性能[1]。这些复合材料与防弹车辆常用的防弹钢板相比,同等防弹防护能力条件下具有重量轻、加工工艺性好的特点。现今,利用多种材料配合使用或填加功能填料等手段,制成高性能的组合防弹材料,并通过材料组成与配比的调节、结构最优化设计等途径,实现材料的结构轻量化并提高其防弹性能。是现代防弹材料研究的重要内容。

国内外有许多综述文章,从不同角度对防弹材料及其发展状况进行介绍,如对比介绍几种防弹材料性能[2,3]、高性能防弹材料的发展[4,5]、防弹材料的设计选材影响因素[6]或分析材料的抗击过程[7,8]等方面。本文从轻质防弹材料的分类和装甲车辆的轻质透明装甲和披挂复合装甲进行对比分析,为产品开发提供思路。

2 轻量化防弹材料防弹机理

轻量化防弹材料主要有陶瓷板防弹材料、高性能纤维复合防弹材料和组合防弹材料。陶瓷防弹材料主要利用自身的强度、硬度使弹体受挫、毁坏并将碎裂的弹体弹开以达到防弹的目的;高性能纤维为主的软体防弹材料的防弹机理主要是在弹头对纤维进行拉伸和剪切时,通过改变织物结构和纤维断裂等方式,使冲击能吸收消释或沿纤维向冲击点以外的区域传播分散,从而达到防护效果;组合防弹材料通过多种材料层叠设计配合,可以制备各组分优势互补,该类防弹材料不仅可以吸收或分散掉全部的冲击能量,还可以避免由于弹头的猛烈撞击使得材料变形而导致的配备人员伤害或装甲车辆内部结构损伤,最大限度降低弹体造成的伤害。

3 轻量化防弹材料分类

3.1 陶瓷板防弹材料

陶瓷板材料具有极高的硬度、弹性模量和相对金属较低的密度,化学稳定性良好,耐高温、耐冲击和耐磨损,能在减轻装甲质量的基础上很好地抵御高速穿甲弹的侵蚀,用陶瓷材料作夹层板与钢板组合使用,其防弹性能甚至超过同等厚度下均质钢装甲的 2 倍,该复合防弹材料已广泛用于轻型装甲车辆中。

3.2 高性能纤维复合板防弹材料

高性能纤维复合板防弹材料是采用一种或多种高性能纤维织物或其铺层,在一定的工艺条件下与树脂基体复合而制得的具有一定防弹性能的材料,高性能纤维具有优异的物理化学性能,如低密度、高比强度和比模量、适当的断裂伸长率和良好的耐腐蚀性等。用高性能纤维制成的防弹制品不仅质量轻、柔韧性好,而且可设计性强、成型工艺简单,目前广泛使用的高性能纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯等可以用于制作武装直升机和装甲战车的内壁衬层,防护效果极佳。

3.3 组合防弹材料

目前对防弹材料高抗冲击、低负重、舒适耐用及其他特殊防护性能的要求不断升级,单一材料已经不能完全满足使用要求,将以上材料中的两种或多种组合在一起制成多层组合防弹材料是研究的突破点。组合防弹材料各组分在性能上相互取长补短,产生协同效应,可使其综合性能相对于单一均质材料大大提高,如在钢装甲上附加一层陶瓷面板,可以显著降低弹体的侵彻、钝化及碎裂能,并将其结构质量降低25%基础上可以将抗冲击板面密度吸能提高35%以上。

4 防弹装甲轻量化应用对比

4.1 透明防弹装甲

4.1.1 硬质防弹玻璃通常为膨硅玻璃

耐高温,高压,耐腐蚀,机械强度高,热膨胀系数小,便于加热处理,可承受很大的冲击力,不易破碎等特点。

4.1.2 透明陶瓷是有意识地在玻璃原料中加入一些微量的金属或化合物

(如金、银、铜、铂、二氧化钛等)作为结晶的核心,在玻璃熔炼、成型之后,再用短波射线(如紫外线、X 射线等)进行照射,或者进行热处理,使玻璃中的结晶核心活跃起来,彼此聚集在一起,发育成长,形成许多微小的结晶,这样,就制造出了玻璃陶瓷。透明陶瓷的机械强度和硬度都很高,能耐很高的高温。

4.1.3 披挂透明装甲

披挂式透明装甲包括两层透明塑料板、夹设于两层透明塑料板之间的透明晶体层。可拆卸地固定于防弹玻璃上,可以很方便地改变原来装甲装备的防护等级;同时将透明晶体以拼接的方式夹设于两层所述透明塑料板之间,透明塑料板可以作为透明晶体层的衬板,一方面克服了透明晶体体积小无法适应产品尺寸和形状的缺点,另一方面利用晶体的防弹性能,可以得到防弹性能好的披挂式透明装甲。

4.1.4 对比分析

硬质防弹玻璃同比GCP防弹玻璃减重10%~20%,透明陶瓷装甲减重达到60%。详见表1:

表1透明装甲减中比较

轻量化防弹材料应用

轻量化防弹材料应用

图1 GCP防弹玻璃弹击效果

轻量化防弹材料应用

图2 透明陶瓷弹击效果

透明陶瓷弹击后损伤面积小,对车内视野影响小,其弹击后效果见图1、图2。

4.2 披挂复合装甲

采用钢板(防弹钢板或高强钢板)与非金属材料的组合达到装甲材料的最轻量化披挂方式有三种:

1)内披挂:在钢板(防弹钢板或高强钢板)内侧附有高性能复合防弹材料;

2)外披挂:在钢板(防弹钢板或高强钢板)外侧附有高性能复合防弹材料;

3)夹心披挂:在钢板(防弹钢板或高强钢板)内、外侧附有高性能复合防弹材料。

轻量化防弹材料应用

表2 披挂装甲减重对比

轻量化防弹材料应用

5 结束语

随着科技进步,现代高性能防弹材料已经向着质轻、舒适、低成本、多功能、高性能等方向发展,为使用者提供了越来越可靠的安全保障。未来的研究应兼顾传统材料的改进和新型防弹材料的研究两个方向,将新型高性能材料与传统材料配合使用,优势互补,实现产品轻量化。

参考文献

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[4] 魏忠仁,杜文泽,等.芳纶纤维抗弹复合材料研究进展[J].工程塑料应用.2009.37(1):75.

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[7] Appleby-Thomas G J,Hazell P J,et al.Shock propagation in a cemen-ted tungsten carbide [J].J Appl Phys,2009,105(6):064916.

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